劉江虹，朱 偉，廖光煊

(1.上海海事大學(xué)海洋環(huán)境與工程學(xué)院，上海 201306;2.北京城市系統(tǒng)工程研究中心，北京 100036;3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥 230026)

1 前言

細水霧以其無毒害、滅火迅速、耗水量小等顯著優(yōu)點，已成為傳統(tǒng)哈龍(Halon)滅火系統(tǒng)的主要替代品之一，已在許多高新技術(shù)領(lǐng)域和重大工業(yè)危險源得到應(yīng)用，并不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域[1～3]。即使在較弱的通風(fēng)作用下，氣體滅火系統(tǒng)也容易受到外界氣流的影響而導(dǎo)致滅火失敗[4]，因此在一些滅火階段仍需要保持通風(fēng)的場合，已經(jīng)考慮采用細水霧滅火技術(shù)，并已有工程使用[5～8]。

縱向通風(fēng)是一種常見的強制通風(fēng)形式，目前開展的全尺度實驗表明細水霧在這樣的情況下能夠有效抑制火災(zāi)[6，7]，但是縱向通風(fēng)對細水霧的影響也是比較顯著的，尤其是氣流擾動導(dǎo)致霧滴飄移對細水霧霧滴速度的影響，可以改變細水霧的作用范圍、霧動量等參數(shù)，從而影響細水霧與火相互作用的過程。因此對細水霧速度場特性進行研究，有助于提高對細水霧在縱向通風(fēng)作用下滅火機理的認(rèn)識。由于一般的接觸式速度測量方法會對流動產(chǎn)生干擾，在細水霧霧場診斷方面，已有應(yīng)用激光多普勒測速儀(LDV)進行非接觸式速度測量[9～11]。

然而縱向通風(fēng)通常存在于相對封閉的狹長空間內(nèi)，這使得與以往的開放空間下細水霧速度場的LDV測量有所不同。因此，本文將利用小型低速風(fēng)洞形成較為穩(wěn)定的縱向通風(fēng)，同時在風(fēng)洞內(nèi)施加細水霧，通過調(diào)整光路在風(fēng)洞狹長空間內(nèi)形成測量體進行LDV測量，采用逐點測量的方法獲取全場信息，從而研究在不同的縱向通風(fēng)作用下氣流對細水霧運動特性的影響。

2 實驗裝置

實驗裝置可以分為三維LDV/APV系統(tǒng)、霧發(fā)生系統(tǒng)和小型低速風(fēng)洞3個部分，如圖1所示。

2.1 三維LDV/APV系統(tǒng)

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

實驗中采用的三維LDV/APV系統(tǒng)為美國TSI公司的雙鏡頭式三維激光多普勒測速系統(tǒng)，激光光源為1 W氬離子激光器，通過光分束分色器將光束分為3對平行的發(fā)射光。要實現(xiàn)三維速度測量，必須保證這3對發(fā)射光束的焦點能匯聚一點，形成一個橢圓的測量體。粒子通過該測量體時產(chǎn)生散射光，經(jīng)接收器傳送并進行光電信號轉(zhuǎn)換，自動分析后實現(xiàn)三維速度的實時測量。

所測速度和多普勒頻率的關(guān)系為

式(1)中:Fd為多普勒頻率，Hz;Fshift為頻移，Hz;Df為光學(xué)條紋間距，mm。由瞬時速度再結(jié)合有效測量時間，就可以得到速度場的有關(guān)統(tǒng)計量。為了使3對發(fā)射光能夠相聚在一點，還需要合理調(diào)整系統(tǒng)布局。實驗采用的細水霧霧滴粒徑范圍在10～100 m，遠大于入射光波長(～0.1 μm)，因而可以近似采用幾何光學(xué)散射理論來確定光路布局參數(shù)，主要包括入射光束和接收光束的焦距均為310 mm，兩個分離的接收器夾角為12°，偏軸角均為48°。該系統(tǒng)還有智能化三維坐標(biāo)位移機構(gòu)，通過對其的操縱可以準(zhǔn)確定位改變測量點，實現(xiàn)全場速度測量。

2.2 霧發(fā)生系統(tǒng)

細水霧由YC－LA型超聲波細水霧發(fā)生器產(chǎn)生，其原理是利用高頻超聲波振動，產(chǎn)生霧滴尺寸小而均勻的細水霧。發(fā)生器有9個噴霧口，產(chǎn)生的細水霧通過連接噴霧口的軟管進入一個收集容器，再由一個出口導(dǎo)出進入測量空間。這樣可以通過調(diào)節(jié)使用的噴霧口數(shù)量改變霧通量，也便于控制進入空間的噴霧方向。

2.3 小型低速風(fēng)洞

風(fēng)洞是一種使用動力裝置驅(qū)動一股可控制的氣流的管道系統(tǒng)，它可以提供穩(wěn)定的、可測的速度場，能夠準(zhǔn)確改變風(fēng)洞內(nèi)的氣流參數(shù)。在研究中，設(shè)計了一個低速小型風(fēng)洞作為細水霧運動的狹長空間。風(fēng)洞裝置可分為動力及輸送段、整流段、收縮段和實驗段4部分，再通過變頻風(fēng)機可得到穩(wěn)定可調(diào)的縱向氣流。由于速度比較低，Mach數(shù)一般小于0.02，因此氣體可以看作不可壓的[12]。在不可壓氣體流動實驗中，Reynolds數(shù)(Re)是最主要的相似準(zhǔn)則數(shù)，另外風(fēng)洞的湍流度不能超過一定的限度。風(fēng)洞的實驗段橫截面積為15 cm×10 cm，長80 cm。由于霧滴粒徑遠小于實驗空間，并假設(shè)洞壁足夠光滑，因而可以忽略流動受到風(fēng)洞本體的干擾。

為了使LDV/APV系統(tǒng)的發(fā)射光能在風(fēng)洞內(nèi)匯聚，同時保證空間的相對封閉性，在風(fēng)洞的一側(cè)設(shè)置一個觀察窗口。觀察窗口采用折射率接近為1的透明PE聚乙烯薄膜作為介質(zhì)。

3 實驗結(jié)果與分析

利用上述實驗裝置對通風(fēng)影響下的細水霧霧滴運動特性進行了實驗研究。通過改變風(fēng)機電機頻率調(diào)節(jié)風(fēng)洞內(nèi)的縱向風(fēng)速，分別為 0、0.25 m/s、0.5 m/s、0.75 m/s、1 m/s、1.25 m/s、1.5 m/s、1.75 m/s、2 m/s、2.25 m/s、2.5 m/s，每個風(fēng)速條件下選取不同軸向等距離的幾個截面中的測量點進行數(shù)據(jù)采集，與進風(fēng)口的距離為 0、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm 的截面分別記為 A、B、C、D、E，采集時間為60 s。然后對這個時間段采集到的數(shù)據(jù)進行分析，得到通過該點的細水霧霧滴速度和粒徑統(tǒng)計分布。

3.1 速度分布

以進流截面至出流截面的方向為z方向，垂直向下為y方向。圖2和圖3分別給出了各個測量點下不同風(fēng)速情況下細水霧霧滴z方向和y方向速度沿軸向的變化情況。從圖2可看出，在各個風(fēng)速情況下，在同一軸心線上霧滴沿著縱向飄移的速度都比較一致，這是由于霧滴顆粒細小，受氣流運動的影響相對就比較大，而風(fēng)洞內(nèi)氣流的縱向速度比較穩(wěn)定，因而霧滴能夠隨著氣流沿著通風(fēng)方向穩(wěn)定地運動。但是在實驗采用的風(fēng)速范圍內(nèi)，隨著氣流速度的增大，霧滴軸向運動速度總體上呈現(xiàn)上升的趨勢，這與氣流攜帶下整個霧場的顆粒密度、懸浮時間等條件有關(guān)。

圖2 不同風(fēng)速情況下細水霧霧滴速度Fig.2 Water mist velocity under different wind velocity

圖3 不同風(fēng)速情況下細水霧霧滴速度Fig.3 Water mist velocity under different wind velocity

從圖3可看出，無通風(fēng)情況下，在進風(fēng)截面附近的測量點上，霧滴下落速度較大，而后迅速降低，而在有通風(fēng)情況下，霧滴垂直向下的速度一直都比較小，這也說明粒徑小的霧滴受氣流運動影響較大，氣流的運動也增加了霧滴下落所受到的阻力系數(shù)，使得在有通風(fēng)情況下大多數(shù)霧滴都隨著氣流的運動方向而運動。下落速度小，可以減少由于重力作用影響到達空間底部的霧滴數(shù)量，使得更多的霧滴彌漫在空間或蒸發(fā)，而這樣可以有效增強細水霧的吸熱能力。

圖4a～圖4e是不同截面采樣點的平均霧滴縱向速度隨風(fēng)速變化的情況。如果設(shè)氣流速度為vg，霧滴縱向速度為vf，那么vg和vf之間近似存在如下的線性關(guān)系

式(2)中:a和b為系數(shù)。雖然前面假設(shè)霧滴經(jīng)出口垂直向下噴出，但是實際上總會存在一定的縱向速度，因此在vg=0的情況下，也存在一定的初始vf，a即與此有關(guān)。b則是主要與風(fēng)洞內(nèi)流動情況，尤其是阻尼系數(shù)Cd有關(guān)的一個量。雷諾數(shù)Re與阻尼系數(shù)Cd之間的關(guān)系可以用下式表示[13]

圖4 各個測量點霧滴速度與氣流速度的變化關(guān)系(z方向)Fig.4 Relationship between water mist velocity and wind velocity at different measure points(z direction)

擬合得到的系數(shù)見表1，vg＜2.0 m/s的系數(shù)為a1、b1;vg＞2.0 m/s的系數(shù)為 a2、b2?？梢钥闯觯趘g＜2.0 m/s的情況下，霧滴的軸向速度呈緩慢上升的趨勢，而在vg＞2.0 m/s后，霧滴速度顯著上升。這是因為氣流速度增大，風(fēng)洞內(nèi)氣體流動的雷諾數(shù)Re也增大，達到一定程度后，可能導(dǎo)致流動湍流程度的急劇增加，從式(3)可以看出，在Re變化到一定程度后，阻尼系數(shù)Cd的趨勢突然變化，并在一定的Re值區(qū)段內(nèi)趨近于一個穩(wěn)定值。Cd減小，那么氣流攜帶的霧滴運動也隨之加快，因此式(2)中的b值與阻尼系數(shù)Cd的變化趨勢存在相反的關(guān)系。同時，由于風(fēng)洞內(nèi)沿軸線方向的流動比較均勻，幾個采樣點的測量結(jié)果擬合曲線的系數(shù)都比較接近。

表1 各個測量點擬合曲線的系數(shù)Table 1 Fitting curve coefficient ofdifferent measure points

3.2 粒徑分布

為了進一步研究霧滴在風(fēng)洞內(nèi)的運動特性，還需要對不同風(fēng)速下霧滴在風(fēng)洞內(nèi)的粒徑分布進行分析。在本文細水霧運動特性研究中，采用的粒徑分布是 Sauter平均粒徑(SMD)[14]。

超聲波細水霧發(fā)生器產(chǎn)生的霧滴粒徑在30 μm左右，由于粒徑小，當(dāng)水霧的濃度比較大時，霧滴之間容易粘接。因此利用三維LDV/APV系統(tǒng)對霧滴粒徑進行測量和統(tǒng)計分析，就可以從霧滴凝并導(dǎo)致粒徑改變這個角度來分析其運動特性。不同風(fēng)速下幾個截面的中軸線上測得的霧滴粒徑結(jié)果如圖5所示。

在沒有通風(fēng)的情況下，霧滴粒徑在30～40 μm，這是由于水平速度較慢，氣流運動相對靜止，而且多數(shù)霧滴在較短的軸向距離內(nèi)即已沉降，有一些稍大于30 μm粒徑的顆粒存在，說明在霧滴運動過程中只是發(fā)生了少量的凝并。而在施加通風(fēng)后，霧滴的平均粒徑顯著增大。這說明加入通風(fēng)后，氣流運動明顯加劇，大大增加了細小霧滴之間的碰撞幾率，也就提供了更多霧滴凝并的機會，而在凝并過程中，粒徑的變化有以下關(guān)系

圖5 各個采樣點風(fēng)速與霧滴粒徑的關(guān)系Fig.5 Relationship between water mist velocityand wind velocity at different measure points

式(4)中:di為凝并后的霧滴粒徑;dj和dk為參與凝并的兩個霧滴的粒徑。

在實驗采用的風(fēng)速范圍內(nèi)，霧滴Sauter平均粒徑一直趨于比較穩(wěn)定的值。但是對其變化情況深入分析可以看出，在vg＜2.0 m/s的情況下，霧滴的SMD隨著風(fēng)速vg的增加而增加，而當(dāng)vg＞2.0 m/s后，SMD則會隨之減小。之所以出現(xiàn)這樣的情況，可見除了風(fēng)速導(dǎo)致風(fēng)洞內(nèi)氣流狀態(tài)的改變之外，霧滴的凝并現(xiàn)象還受到霧滴密度、生存時間等參數(shù)的共同影響。雖然風(fēng)速越大霧滴凝并的機會越大，但是從前面的分析可以看出細小霧滴的生存時間也就在1 s左右，氣流運動加快后還可以加強霧滴表面的熱交換，從而在霧滴凝并和霧滴沉降加快的同時會降低風(fēng)洞內(nèi)的霧滴密度，這從另一方面對霧滴的凝并產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，當(dāng)風(fēng)速達到一定程度后，可能使得霧滴的統(tǒng)計平均粒徑反而略微降低。另外，即使霧滴沿軸向運動過程中凝并現(xiàn)象會一直發(fā)生，然而沿著軸線方向霧滴的粒徑也只是呈略有增加的趨勢，這是由于霧滴密度和霧滴沉降也在產(chǎn)生影響的原因。

3.3 霧通量分布

霧通量不能通過三維LDV/APV系統(tǒng)直接測量得到，需要綜合分析速度場和粒子場的測量結(jié)果。本節(jié)討論的霧通量是面積霧通量VF，可以用下面的公式表示

式(5)中:N為所測的粒子數(shù);S為測量面積;t為采樣時間，即60 s。由于APV/LDV系統(tǒng)中，S即為兩束激光的交匯區(qū)域在縱截面上的投影面積。本實驗中采用的焦距是300 mm，兩束激光發(fā)射源相距170 mm，激光光束的直徑為1.6 mm，可以得到S=7.37 mm2。

利用LDV/APV系統(tǒng)測量得到不同風(fēng)速下通過幾個測量點的粒子數(shù)N分布情況。通過式(5)計算可以得到A～E各個截面的霧通量情況。為了能夠避免不同實驗初始霧通量對實驗結(jié)果的影響，在這里定義一個無量綱量霧通比率η，表征細水霧霧滴通過某個縱截面的霧通量占初始霧通量的比率，以定量的分析細水霧在通風(fēng)影響下隨氣流攜帶下縱向運動的飄移特性。霧通比率η的表達式如下

根據(jù)這個定義，可以計算各個縱截面在不同風(fēng)速下的霧通比率，圖6a是風(fēng)速對霧通比率的影響，圖6b則是運動距離對霧通比率的影響。細水霧自出口噴出后，沿著軸向方向霧通量不斷減少，這是霧滴運動過程中在壁面粘附以及蒸發(fā)的結(jié)果。在沒有通風(fēng)作用的情況下，霧滴的水平移動比較緩慢，因而能夠到達B～E的霧滴非常少，從而霧通量也急劇降低。而有了通風(fēng)的作用，能夠攜帶相當(dāng)數(shù)量的霧滴運動，而且風(fēng)速越大，霧通量也越大。從兩個圖的曲線形狀來看，除了無通風(fēng)情況，風(fēng)速和運動距離都與霧通比率有一定的線性關(guān)系，其相關(guān)性如表2和表3所示，可以看出都能夠比較好地接近線性關(guān)系。

圖6 不同影響因素與霧通比率的關(guān)系Fig.6 Effects of different wind velocity and moving distance on water mist flux

表2 不同運動距離霧通比率與風(fēng)速之間的線性相關(guān)性Table 2 Linear correlation between wind velocity andwater mist flux under different moving distance

為了考察它們對霧通比率各自的影響程度，假設(shè)如下方程來回歸求出兩個變量各自的權(quán)重

式(7)中:α和β為系數(shù)，γ為常數(shù)。為了消除不同量綱給數(shù)據(jù)帶來的不穩(wěn)定性，采用式(8)對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理[15]。

表3 不同風(fēng)速下霧通比率與運動距離之間的線性相關(guān)性Table 3 Linear correlation between moving distance and water mist flux under different wind velocity

式(8)中:xij為測量的原始樣本，為一列數(shù)據(jù)的平均值;x*ij為測量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值。然后采用二元線性回歸方法，得到回歸參數(shù)和回歸方程的顯著性，結(jié)果如表4所示。

表4 回歸參數(shù)值和顯著性Table 4 Regression parameter values and significant

從表4可看出，參數(shù)α和β的顯著性均小于0.001，回歸效果顯著，變量風(fēng)速和運動距離對霧通比率都有重要的影響。另外，由于β的t值大于α的t值，可見運動距離的影響相對更大。也說明，即使增大相當(dāng)?shù)娘L(fēng)速，但如果在相對噴霧出口較遠的距離處，細水霧的霧通量仍不能達到與噴霧出口處相當(dāng)?shù)乃?，因為距離增加對霧通量所造成的影響要強于風(fēng)速改變所造成的影響。

4 結(jié)語

本文對利用三維LDV/APV技術(shù)對不同縱向風(fēng)速下風(fēng)洞內(nèi)的細水霧運動特性進行了測量，通過對實驗數(shù)據(jù)分析可得出以下幾點結(jié)論。

1)霧滴速度與風(fēng)速呈線性變化，但是由于風(fēng)速增大會使風(fēng)洞內(nèi)的空氣阻力系數(shù)發(fā)生變化，因此在測量范圍內(nèi)可以看到，兩者之間的線性關(guān)系出現(xiàn)了兩種不同的斜率。但不同運動距離霧滴的速度仍非常接近。

2)由于通風(fēng)對霧滴運動的劇烈擾動，增加通風(fēng)后霧滴凝并現(xiàn)象顯著，使得霧滴平均粒徑也顯著增加，但風(fēng)速增大和運動距離的增加對整體平均粒徑影響不大。

3)霧通量同時受到風(fēng)速和運動距離的影響，經(jīng)過對實驗數(shù)據(jù)進行二元線性回歸發(fā)現(xiàn)，運動距離對霧通量分布的影響更大。

4)從實驗結(jié)果來看，增加通風(fēng)后霧滴作用范圍增大，在空間的運動時間增長，這對細水霧降低空間溫度抑制火災(zāi)有著促進作用，但同時使霧滴粒徑增大，即表面積增大，這將降低細水霧的吸熱能力。通風(fēng)對偏離噴霧出口位置的細水霧滅火性能的促進作用也是有限的。

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