摘要:本文旨在通過研究加入氯化鈉添加劑后對細水霧霧滴的冷態(tài)物理特性的影響為研究細水霧中加入添加劑后對于滅火效果的影響奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:細水霧 添加劑 實驗

細水霧霧場結(jié)構(gòu)的特性主要包括:霧滴的尺寸分布、速度、霧通量、錐角等。細水霧霧滴的物理特性、幾何尺寸等都對滅火效果產(chǎn)生影響，細水霧中加入添加劑后，細水霧霧場的冷態(tài)特性會發(fā)生一定的變化，這些變化會對細水霧的滅火效果產(chǎn)生一定的影響。采用LDV/APV系統(tǒng)對含氯化鈉的細水霧的霧場冷態(tài)特性、霧滴的大小及其分布、霧滴的速度進行實驗測試，研究加入氯化鈉添加劑后對細水霧霧滴的冷態(tài)物理特性的影響，為熱態(tài)滅火有效性實驗時，研究細水霧中加入添加劑后對于滅火效果的影響奠定基礎(chǔ)。

1 細水霧發(fā)生裝置

細水霧發(fā)生裝置包括:高壓空氣瓶、儲水罐(直徑17cm，高47cm)、小型噴頭以及軟管。裝置示意圖如圖1所示。

實驗時所需的壓力由高壓空氣瓶提供，由減壓閥控制;氯化鈉溶液預(yù)先配制后加入儲水罐中，就可以由噴頭得到含不同濃度氯化鈉添加劑的細水霧。

實驗中采用的噴頭是德國制造的Lechler 502.668.30，如圖2所示。該噴頭是依靠高壓空氣產(chǎn)生的水壓在噴頭內(nèi)部造成強烈的旋轉(zhuǎn)運動，當(dāng)旋轉(zhuǎn)流體從噴頭噴出時，由于離心力的作用，使液體粉碎成小液滴，從而形成細水霧。

2 細水霧霧場特性實驗測試裝置

實驗中采用LDV/APV系統(tǒng)對細水霧霧場的冷態(tài)特性進行實驗測試。三維LDV/APV系統(tǒng)的典型裝置如圖3所示，由氬離子激光光源、光纖傳輸光路、接收光路、信號處理器、以計算機為中心的測控與流場測試數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和智能化三維坐標架位移機構(gòu)等六部分組成。

激光多普勒測速技術(shù)即指以激光作為光源，應(yīng)用多普勒效應(yīng)測量流體流動速度的一種實驗測試技術(shù)，基于該技術(shù)的測量儀器通常被稱為激光多普勒測速儀(Laser Doppler Velocimeter，LDV)，又稱為激光多普勒風(fēng)速計(Laser Doppler Anemometer，LDA)。自適應(yīng)相位多普勒測速儀(Adaptive Phase Velocimeter，APV)系統(tǒng)基于多普勒頻移和多普勒相位差原理，可以自適應(yīng)地進行微粒的大小及速度測量。光路設(shè)計和測量工作則由實驗室老師協(xié)助完成。

實驗測量中選擇了在距離霧滴出口40厘米的水平平面作為測量平面，這個位置也是細水霧與火焰基部相互作用的位置;水壓為0.7MPa。之所以選擇這種距離及水壓，是因為通過查閱前人的研究資料發(fā)現(xiàn)，熱態(tài)滅火實驗時在噴頭距離油盤上表面40cm，水壓為0.7MPa時，滅火效果比較理想，可以看出含不同濃度氯化鈉時細水霧滅火效果的差異，研究這種工況下的霧場冷態(tài)特性，才能夠比較清晰的看出添加劑對霧場冷態(tài)特性的影響，進而研究對細水霧滅火效果的影響。

測量中以噴頭的垂直中心軸線為基準，向外每隔5mm選擇一個測量點，直至距離中心軸線100mm為止。對含氯化鈉濃度為0%、5%、10%、15%四種情況進行測量比較。之所以選擇這四種濃度，也是因為通過查閱前人的研究資料發(fā)現(xiàn)，熱態(tài)滅火實驗時，氯化鈉濃度為5%，細水霧的滅火效果比較明顯;氯化鈉濃度增加到10%，細水霧對火焰的抑制作用反而有所下降;而氯化鈉濃度超過15%后，溶液中就會出現(xiàn)沉淀，氯化鈉難以全部溶解。因此，為了使實驗結(jié)果能夠有效地反映細水霧中加入氯化鈉添加劑后霧場冷態(tài)特性的變化情況，本實驗中的氯化鈉濃度起始點從0%開始，每隔5%選取一個實驗點，而最高點設(shè)定為15%。

3 實驗數(shù)據(jù)記錄及分析

3.1 霧場粒徑尺寸分布 圖4描述了對于氯化鈉濃度分別為0%、5%、10%、15%的細水霧霧場，從噴頭的中心軸線處到距離中心軸線100mm處，霧滴粒徑的分布情況。這里的平均粒徑采用體面積平均，即Sauter平均粒徑(SMD)，用(單位μm)表示。

從圖4可以看出，隨著氯化鈉濃度的提高，細水霧霧滴總的來說也在增大。而霧滴的增大，使得霧滴的動量增大，從而使霧滴更容易穿透上升的火羽流到達火焰基部，更能有效的發(fā)揮霧滴的物理冷卻作用，從而提高細水霧的滅火效果。同時，霧滴的增大還有利于氯化鈉化學(xué)滅火作用的發(fā)揮，這是因為，如果霧滴的動量不夠大，不足以穿透上升的火羽流到達火焰基部，霧滴就會被上升的火羽流偏移，氯化鈉的化學(xué)滅火作用就基本上得不到發(fā)揮，從而無法提高細水霧的滅火效果。

3.2 霧滴三維速度分布 圖5、6、7分別描述了對于氯化鈉濃度為0%、5%、10%和15%的細水霧霧場，從噴頭的中心軸線處到距離中心軸線100mm處，霧滴x、y和z方向上速度的分布情況。

從圖6可以看出，隨著氯化鈉濃度的增加，霧滴y方向的速度基本上是逐漸增大的，這和粒徑的增大一樣有利于霧滴動量的增大，有利于霧滴穿透上升的火羽流到達火焰基部，更有效的發(fā)揮霧滴的物理冷卻作用和氯化鈉的化學(xué)滅火作用，提高細水霧的滅火效果。

從圖5和圖7中可以看處，加入氯化鈉后，x方向和z方向的速度反而有所降低。這是因為霧滴中氯化鈉的存在，使得霧滴滴徑增大，質(zhì)量也增大，而霧滴從噴頭噴出時離心力是一定的，所以霧滴x和z方向上的速度就會降低。

總之，加入氯化鈉添加劑后，霧場的速度分布有所改變，y方向上的速度增大，x和z方向上的速度減小。雖然總速度量沒有多大變化，但是速度分量卻發(fā)生了較大的變化，造成水滴的方向也相應(yīng)地產(chǎn)生了變化。氯化鈉添加劑對于細水霧霧場速度分布的影響是否會改變細水霧的滅火效果，將取決于火災(zāi)的具體形式。

4 結(jié)論

通過含添加劑細水霧霧場的冷態(tài)特性實驗研究發(fā)現(xiàn)，細水霧中加入氯化鈉添加劑后，對霧場的尺寸分布及速度分布都產(chǎn)生了很大影響。隨著氯化鈉濃度的提高，細水霧霧滴總的來說也在增大，而霧滴的增大，使得霧滴的動量相應(yīng)增大，從而使霧滴更容易穿透上升的火羽流到達火焰基部，更能有效的發(fā)揮霧滴的物理冷卻作用和化學(xué)滅火作用，所以添加劑對霧場尺寸分布的作用直接影響了細水霧的滅火效果。

添加劑對霧場速度分布的影響是既有增大、又有減小，即加入添加劑后霧滴y方向上的速度增大，x和z方向上的速度減小，總體速度沒有多大變化，但水滴方向發(fā)生了變化。添加劑對霧場速度分布的影響是否會改變細水霧的滅火性能，將根據(jù)火災(zāi)的具體形式來決定。

實驗中還發(fā)現(xiàn)，距離中心軸線越遠，測量細水霧霧滴粒徑和速度得到的實驗數(shù)據(jù)越不穩(wěn)定。這是因為距離中心軸線越遠，細水霧霧滴受外界因素的干擾就越大，如周圍環(huán)境中空氣的流動就會造成霧滴速度的變化，所以實驗時選擇距離中心軸線較近的霧滴來研究細水霧的霧特性更有意義。

參考文獻:

[1]姚斌，秦俊，廖光煊.三維LDV/APV系統(tǒng)測量大尺度霧場的硬件布局參數(shù)設(shè)計及應(yīng)用.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2003-5.

[2]A.M.Tafreshi、M.di Marzo， Foams and Gels as Fire Protection Agents.Fire Safety Journal 33(1999)295-305.

[3]王喜世，廖光煊，秦俊編著.熱災(zāi)害實驗診斷方法.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，2002-6.

[4]Wighus R. Engineering relations for water mist fire suppression system.Halon alternatives technical working conference.Albuquerque，1995，397-406.

[5]劉江虹，廖光煊，厲培德等.細水霧與固體木垛火相互作用的紅外熱像研究.紅外技術(shù)，2001.6 23-28.