【doc】细水雾作用下火灾烟气典型特性参数的变化规律

【doc】细水雾作用下火灾烟气典型特性参数的变化规律 细水雾作用下火灾烟气典型特性参数的变 化规律 第14卷第4期 2008年8月 燃烧科学与技术 JournalofCombustionScienceandTechnology Vo1.14No.4 Aug.2008 细水雾作用下火灾烟气典型特性参数的变化规律 房玉东,苏国锋,林霖,廖光煊 (1.清华大学公共安全研究中心,北京100084;2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥230026) 摘要:利用ISO9705全尺寸多功能热释放速率测试仪研究细水雾作用下火灾烟气的消光系数,质量密度及辐射 热通量等特性参数的变化规律,通过改变细水雾工作压力,喷头种类和喷头数量等参数研究雾滴粒径,喷雾强度等 对烟气特性参数的影响规律.确定了受限空间通风助燃和熄灭火焰的临界速率.实验发现,火源热释放速率是影响 烟气特性参数变化规律的主要内在因素.研究结果为细水雾技术用于火灾烟气抑制提供了科学的参考依据. 关键词:细水雾;烟气;消光系数;热释放速率 中图分类号:TK121文献标志码:A文章编号:1006—8740(2008)04-0372-06 VariationalPrinciplesofTypicalSmokeCharacteristics withWaterMistApplying FANGYu—dong., SUGuo—feng,LINLin,LIAOGuang—xuan (1.CenterforPublicSafetyResearch,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.StateK eyLaboratory ofFireScience,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China) Abstract:ISO9705full— scaleheatreleaserateplatformformultifunctionalmeasurementisusedtostudylightextinction coefficient,massdensityandheatfluxofsmoke.Theeffectsofdropletdiameter,watermistfluxandventilationspeedon smokecharacteristicparametersareinvestigatedbychangingworkingpressure,nozzletypeandnozzlenumber.Theexperi— mentalresultsshowthatheatreleaserateoffireistheinternalfactorwhichdeterminessmokecharacteristicvariation.This paperprovidesscientificreferencesforwatermisttechnologyusedinrestrainingfiresmoke. Keywords:watermist;smoke;lightextinctioncoefficient;heatreleaserate 统计分析表明,建筑火灾中70%的人员伤亡是烟 气造成的,火灾烟气特性直接影响着火场人员的安全 和逃生.通常烟气特性参数主要包括烟气质量密度,烟 气消光系数,烟气层辐射热通量和烟气产量等j. 研究表明,细水雾对火灾烟气具有一定的抑制作 用,细水雾进人烟气层后会与之发生复杂的物理化学 作用,在细水雾的作用下,烟气的组分含量,消光特性 和烟气产量等特性参数都会发生变化.目前,国际上开 展了为数不多的细水雾与烟气相互作用的数值模拟研 究工作,香港理工大学的周允基对水喷雾与烟气层相 收稿日期:2007.05.11. 基金项目:中国博士后科学基金资助项目(20070410067) 作者简介:房玉东(1979一),男,博士,助理研究员. 通讯作者:房玉东,ydfang@tsinghua.edu.cn. 互作用进行了数值研究J,把烟气和空气看成是两种 准稳态的层,建立了水喷雾与烟气层相互作用的一维 数学模型,预测了水喷雾作用下烟气的运动规律,并且 给出了一些使用水喷雾使烟气造成的损失最小化的物 理准则.Xiang等研究了带电水雾作用下烟气浓度 变化规律.Nyankina等采用区域模拟的方法建立数 学模型,研究水喷雾对火灾轰然发展的影响.Vaari 等建立了通风条件下细水雾全淹没灭火的数学模 型.中国科学技术大学的研究人员研究了细水雾作用 下PMMA火的烟气生成速率及烟气组分浓度变化规 2008年8月房玉东等:细水雾作用下火灾烟气典型特性参数的变化规律.373? 律.从上述回顾可以看出,目前国际上关于细水雾 与烟气相互作用的研究工作尚处于起步阶段,为了揭 示细水雾抑制火灾烟气的主导机理,有必要深入研究 细水雾作用下烟气典型特性参数的变化规律,这对发 展新一代火灾烟气抑制技术具有重要的指导意义. 1实验方法 实验中选用柴油作为发烟 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ,利用酒精引燃柴 油.采用两种不同类型的喷头产生细水雾.柴油预燃 60s,每种工况施加细水雾100s.图1给出了实验系统 示意图.实验工况如表1所示,表2给出了喷头1和喷 头2的特性参数. 实验测量系统主要由集烟罩,排烟系统和测试段 构成.集烟罩的开口尺寸为3m×3m,位于燃烧室出 口的正上方,集烟罩上方与排烟管道系统相连,下边缘 与燃烧室顶相齐,这样可以收集实验中通过门离开燃 烧室的所有燃烧产物.排烟管的一端与集烟罩相连,另 一 端与变频风机相连,风机流量范围在0—4kg/s.测 试段内安装有气体成分分析取样探针,监控体积流量 的双向探针,0.5mW光度探测器的He—Ne激光系统, 流量热电偶和烟气热电偶. (a)侧视图 (b)俯视图 图1实验系统示意 表1实验工况 工况喷头类型开启位置压力/MPa风机流量/(kg?s) 1喷头1370.5,1.0,1.5,2.0,2.5 2喷头1380.5,1.0,1.5,2.0,2.5 3喷头1390.5,1.0,1.5,2.0,2.5 4喷头131O0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 5喷头12,370.5,1.0,1.5,2.0,2.5 6喷头12,380.5.1.0,1.5,2.0,2.5 7喷头12,390.5,1.0,1.5,2.0,2.5 8喷头12,31O0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 9喷头2310.5,1.0,1.5,2.0,2.5 1O喷头2320.5,1.0,1.5,2.0,2.5 11喷头2330.5,1.0,1.5,2.0,2.5 12喷头2340.5,1.0,1.5,2.0,2.5 表2喷头特性参数 特性参数喷头1喷头2 粒径范围/m50,1oo3oo,400 速度范围/(m?s)O.5,1.O1,2.5 工作压力/MPa7,1OO,4 流量系数O.5 流量/(L?rain)4.2,5.09.5,19 2实验结果及分析 2.1烟气消光系数及质量密度变化规律分析 从图2可以看出,在细水雾的作用下,烟气消光系 数快速下降,火场能见度得到提高,有利于火场人员的 安全逃生.这是因为一方面细水雾具有较好的冷却作 用,施加后快速抑制燃烧反应,有效降低烟气层对火焰 的辐射热反馈,使得烟气生成速率快速下降,烟气消光 系数随之下降;另一方面细水雾施加后迅速蒸发,使烟 气区域水蒸气迅速饱和,过饱和水汽凝结在烟气中悬 图2消光系数随时间变化曲线 ?374?燃烧科学与技术第14卷第4期 浮的大量微小颗粒上,烟颗粒不断与微小水滴和水蒸 气发生凝聚合并.伴随着喷雾流引起的含烟颗粒空气 运动,使携带着烟颗粒的小液滴和其他细水雾滴相互 碰撞,凝并进而增重下沉,形成"雨"降落下来..圯,烟 气消光系数随之下降.从图2还可以看出,消光系数的 下降速度随着细水雾工作压力的增大而加快,这是因 为随着工作压力的增大雾滴粒径变得更小,雾滴速度 变得更大,这强化了雾滴与烟颗粒之间的碰撞作用,更 有利于烟颗粒的凝聚沉降. 通常烟气的质量密度和消光系数之间满足如下 关系: M:K A 烧强度开始减弱,烟气生成速率快速下降,使得烟气质 量密度损失比例不断增大.根据上述分析可判断,该临 界值为1.5ks. (1)图3烟气质量密度损失比例随风机速率变化曲线 式中:为烟气的质量密度,g/m;K为烟气的比浓 度消光系数,m/g. Mulholand和Croarkin的研究发现,在通风充 足条件下,K近似等于常数.波长为632.8nm时, K=8.7m/g,误差范围?1.1m/g.利用式(1)可计 算出烟气的质量密度.为了研究细水雾作用下烟气质 量密度变化规律,定义一个无量纲参数,即烟气质量密 度损失比例 n M., 1一M, o(2) 式中:D代表烟气质量密度损失比例;M为细水雾 作用后稳定阶段的烟气质量密度,g/m;..为细水雾 作用之前的烟气质量密度,g/m. 利用式(2)可计算出不同工况的烟气质量密度损 失比例,如表3所示,其中为风机速率,单位kg/s. 表3烟气质量密度损失比例 D S 工况1工况2工况3工况4工况9工况10工况11工况12 0.50560.720.780.800.0930.1440.1680.180 1.00.390.550.610.630.0650.1100.1320.143 1.50.320.480.540.5600530.0960.1170.127 200360.520.580.600.0600.10401250.136 2.50420.580640.660.0700.1160.1380.150 从图3可以看出,当风机速率小于1.5k昏/s时,烟 气质量密度损失比例随风机速率的增大而减小;当风 机速率大于1.5kg/s时,烟气质量密度损失比例随风 机速率的增大而增大.这是因为当风速小于某临界值 时,通风会助燃火焰,此时烟气生成速率快速增大,使 得烟气质量密度损失比例不断减小;当风速大于某临 界值时,通风会熄灭火焰,此时火焰尺寸开始减小,燃 从图3还可以看出,随着压力的增大,烟气质量密 度损失比例有所增大,这主要是因为随着压力增大雾 滴粒径变得更小,雾滴速度变得更大.这强化了雾滴与 烟颗粒之间的碰撞作用,更有利于烟颗粒的凝聚沉降. 从图3还可以看出,喷头1作用下,烟颗粒质量密度损 失比例要大于喷头2,这表明雾滴粒径较小的细水雾 更有利于烟颗粒的凝聚沉降. 2烟气辐射热通量变化规律分析 2. 实验中的热密度计位于顶棚下方0.2m处,主要 用来测量烟气层的辐射热通量.从图4可以看出,细水 雾作用之后,烟气层的辐射热通量快速下降,随着细水 雾工作压力的增大,辐射热通量的衰减幅度明显增大. 这是因为压力增大后,雾通量增大,同时雾滴粒径变得 更小,细水雾的蒸发吸热和表面冷却作用得到了强化, 从而加快了烟气辐射热通量的下降速度. 图4辐射热通量随时间的变化曲线 为了比较分析不同喷头类型和不同喷雾强度下辐 射热通量的变化规律,定义一个无量纲参数,即辐射热 通量衰减比例 D二(3) qf,0 式中:D为辐射热通量衰减比例;qf,o为细水雾作用之 2008年8月房玉东等:细水雾作用下火灾烟气典型特性参数的变化规律?375? 前的辐射热通量,kW/m;为细水雾作用之后辐射 热通量的最小值,kW/m. 表4给出了不同喷雾强度的辐射热通量衰减比例 计算值. 表4辐射热通量衰减值(风机速率1.5kg/s) 开启喷头辐射热通量衰减比例 位置7MP8MPa9MPa10MPalMP2MPa3MPa4MPa 0.290.350.390.400.120.150.170.18 2,30.350.440.500.520.140.180.200.21 1,2,30.550.670.730.760.220.270.290.30 从图5可以看出,喷头1削弱辐射热通量的能力 要明显好于喷头2,增加喷雾强度可以大大提高细水 雾对烟气辐射热通量的抑制效果. 图5D,随细水雾压力变化曲线 2.3烟气特性参数与火源热释放速率相关性分析 从图6可以看出,细水雾作用之后热释放速率快 速下降,随着细水雾工作压力的增大,热释放速率下降 幅度明显增大.这是因为压力增大后,雾通量增大,同 时雾滴粒径变得更小,细水雾的蒸发吸热和表面冷却 作用得到了强化.为了比较分析不同喷雾强度下热释 放速率的变化规律,定义一个无量纲参数,即热释放速 率衰减比例 .= Ro-RI (4) 式中:D为热释放速率衰减比例;R.为细水雾作用 之前的热释放速率,kw;R为细水雾作用之后热释放 速率的最小值,kW.其计算值见表5. 图7给出了不同压力下的热释放速率衰减比例曲 线.从图7可以看出,火源热释放速率的衰减比例随着 细水雾工作压力的增大而加快,喷头1作用下火源热 释放速率衰减比例要明显大于喷头2,同时热释放速 率衰减比例随着喷头个数的增加而增大.由此可以得 出这样的结论:雾滴粒径较小的细水雾更有利于火源 热释放速率的下降,增加喷雾强度可以提高火源热释 放速率的下降速度. 45 4() 35 3() 兰25 琵20 15 10 5 0 图6火源热释放速率R随时间变化曲线 表5热释放速率衰减值(风机速率1.5kg/s) 开启喷头热释放速率衰减比例 位置7MP8MPa9MPal0MPalMPa2MPa3MPa4MPa 0.400.520.590.640.200.260.300.34 2,30.510.620.700.750.260.3l0.350.37 1,2,30.650.780.870.930.300.360.410.44 图7D随细水雾工作压力变化曲线 图8给出了火源热释放速率与烟气典型特性参数 变化规律的相关曲线.从图中可以看出,火源热释放速 率是制约烟气典型特性参数变化规律的关键因素.细 水雾施加之后,随着火源热释放速率的下降,氧气浓度 明显回升,一氧化碳浓度明显上升,二氧化碳浓度,烟 气消光系数和烟气的辐射热通量明显下降.在实际的 火灾防治中,应把细水雾能否快速有效降低火源热释 放速率作为评判细水雾灭火系统性能好坏的重要标 准之一.同时在建筑火灾的防范中推荐使用雾滴粒 径较小,雾通量较大的细水雾灭火系统,这样将使烟 气造成的人员伤害最小化,有利于火场人员的安全 逃生. ? 376?燃烧科学与技术第14卷第4期 至 交 ? ? ? ? ? ? (a)02体积分数 20 2(II 20 20 2f1 20 20 20 2(1 (b)CO体积分数 (c)CO体积分数 (d)消光系数 95 94 93 92 9i q【l 89 88 87 誉 舞 蛙 0 U 三 蒙 塑 0 0 3.0 25 2.(1 量 1.5 10 05 (e)辐射热通量 图8热释放速率与烟气特性参数的相关曲线 3结论 (1)细水雾具有较强的冷却吸热能力,在细水雾 作用下,烟气辐射热通量和火源热释放速率快速下降. 细水雾可以有效抑制燃烧,快速降低烟气质量密度和 消光系数. (2)雾滴粒径较小的细水雾更有利于辐射热通量 和热释放速率的下降,喷雾强度是影响细水雾冷却作 用的重要因素. (3)烟气特性参数变化规律与火源热释放速率具 有密切的相关性,火源热释放速率是制约烟气特性参 数变化的主要内在因素. 参考文献: [1]范维澄,王清安,姜冯辉,等.火灾学简明教程[M].合 肥:中国科学技术大学出版社,1999. FanWeicheng,WangQing'an,JiangFenghui,eta1.Fire ScienceTeachingMaterial[M].Hefei:UniversityofScience andTechnologyofChinaPress,1999(inChinese). [2]ChowWK,YaoB.Numericalmodelingforinteractionofa waterspraywithsmokelayer[J].NumericalHeatTransfer (A):Applications,2001,39(3):267-283. [3]XiangXD,ColbeckI.Chargedwaterdropsandsmokedis— sipation[J].FireSafetyJournal,1997,28(3):227-232. [4]NyankinaN,NovozhilovV.Predictionoffireenvironment underwatermistsuppressionconditionsbytwo—phasezone model[J].JournalofAppliedFireScience,2001,10(3): 193-214. 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