周　洋，卜蓉偉，陳　波，張武暉

(1.中南大學 土木工程學院，長沙 湖南 410075；2.廣州中國科學院工業(yè)技術研究院，廣州 廣東 511458；3.慶陽市公安消防支隊，甘肅 慶陽，745000)

0　引言

建筑受限空間火災在日常生活中極為常見，如臥室、儲物間、辦公室、廚房等，受限空間內部可燃物種類繁多、火災載荷大，引發(fā)火災后給生命財產安全帶來極大的威脅。細水霧滅火作為鹵代烷系列的主要替代技術之一，具有高效、穩(wěn)定、成本低、易于得到、無環(huán)境污染、對防護對象破壞性小等特點[1-5]。

細水霧的滅火有效性不僅與細水霧的滅火機理有關，且同時與火災場景密切相關[6]。盡管近年國內外細水霧滅火有效性的研究取得了新的進展，但是對受限空間內細水霧滅火有效性影響研究較少。Liu[7-8]等人通過測定室內溫度、CO2和O2濃度，利用全尺寸實驗研究了不同通風條件下細水霧的滅火效果，實驗結果表明通風情況是影響細水霧滅火效果的一個重要因素，指出在強制通風條件下細水霧滅火效果會因為房間和周圍環(huán)境強烈的質量交換而降低，但同時也指出通風對細水霧滅火效果的影響取決于火場中的火源位置和所選用的細水霧滅火系統；Mawhinney[9]等人指出通風情況下細水霧的噴霧動量應足夠大，在通風條件未知的情況下，即使細水霧滅火系統可以快速滅火，細水霧施加時間也應該設置得更長；Yang[10]等人利用全尺寸火災實驗和數值模擬的方法研究了細水霧的滅火特性，發(fā)現數值模擬結果與實驗數據符合的很好，并提出建立用于預測細水霧滅火特性數值模型的思想；Jenft[11]等人發(fā)現當細水霧施加在火災充分燃燒階段時，火災能夠被快速地撲滅，而當細水霧應用在火災發(fā)展的初期時，要實現滅火則需要細水霧較長時間的施加；房玉東[12]等人通過實驗研究發(fā)現施加細水霧之后，煙顆粒中的球形基本粒子吸收了煙氣中的飽和水蒸汽，體積和重量均有所增大；另一方面，速度較大的細水霧能更有效的沖擊煙顆粒，強化霧滴與煙顆粒之間的碰撞運動，有利于霧滴與煙顆粒之間發(fā)生凝聚和合并，從而加速煙顆粒的沉降過程；此外，房玉東[13]還通過全尺寸火災實驗研究了細水霧作用下煙氣組分濃度的變化規(guī)律；陸強[14]等人研究了細水霧滅油池火時各種影響因素的相對重要度；黃鑫、劉江虹[15]等人研究了細水霧撲滅油池火的臨界條件；叢北華[6]等人做了細水霧抑制熄滅室內火災的有效性模擬實驗研究；李曉康[16]等人基于數值模擬技術研究了在受限空間內不同周期脈沖細水霧的滅火效率。本文就單一開口，通過依次改變開口位置以及開口尺寸，對特殊受限空間內開口位置和開口尺寸對細水霧滅火有效性影響進行了實驗研究。

1　實驗裝置

利用合理的尺度間動力學法則，參照科學的尺度關系，建立小尺寸滅火實驗平臺。采用特殊受限空間模擬實驗臺，如圖1所示，簡化后的實驗裝置如圖2所示。實驗臺外部尺寸為1.2 m×1.2 m×1.2 m，考慮到特殊受限空間內的煙氣層溫度可能超過600℃，為避免實驗艙因高溫而變形，整個受限空間外圍為6 mm厚的鋼板。由于實驗艙應該具備一定的隔熱效果，在無開口的內壁面上嵌入8.5 mm厚的防火板。為方便實驗觀測，在實驗艙左右兩側壁面上安裝封閉的防火玻璃觀察口，并利用右側觀察口處的攝像機記錄火災的發(fā)展與變化的全過程。將正面壁面換成8.5 mm厚的隔火板。在隔火板上的不同位置開口，進行細水霧滅火實驗。本實驗細水霧發(fā)生裝置采用罐式系統，細水霧壓力額定為0.7 MPa。此外，實驗中引燃火源之后開始計時，利用秒表來控制細水霧的開啟時間，并通過錄像來確定點火時刻，細水霧的施加時刻和火焰的熄滅時間。

圖1　特殊受限空間模擬實驗臺Fig.1　Schematic of the special confined experimental system

圖2　實驗系統簡化示意Fig.2　Simplified experimental system

本實驗采用9路熱電偶分2層測煙氣層溫度，分布方式如圖3所示，第一層5個短熱電偶距頂部250 mm，第二層4個長熱電偶距頂部500 mm，考慮細水霧影響，將中心兩路熱電偶偏離中心位置向右200 mm，向前200 mm。熱電偶H和C靠近開口。熱電偶的規(guī)格為直徑1.2 mm的鎳鉻—鎳硅K型鎧裝熱電偶，測溫范圍為0～1 000℃。然而，為了方便數據進行對比分析，需將A至I的9個熱電偶溫度數據經過如下處理轉換為熱煙氣層的平均溫度。

圖3　熱電偶分布示意Fig.3　Diagram of thermocouple distribution

首先，對每一層熱電偶所測的溫度求平均，得到2個不同高度下的平均溫度T1，T2。然后利用狀態(tài)方程平均法[17]，求得煙氣層平均溫度。

(1)

再對上式的分母離散化，得到：

(2)

式中：H2，H1分別表示上層熱電偶和下層熱電偶的高度，mm；h2，h1分別表示T2，T1對應的熱電偶的高度，mm。

2　實驗場景設計

為了達到實驗的目的，弄清開口對特殊受限空間內細水霧滅火有效性的影響，就要分清開口位置的影響和開口大小的影響。故選取150 mm×150 mm，200 mm×200 mm 2種不同大小的油盆，采用汽油和柴油2種不同的燃料，并采用不同的開口尺寸，改變開口位置，設計56個實驗工況，見表1。

表1　開口對特殊受限空間內細水霧滅火有效性影響實驗工況設計及實驗結果Table 1　Experimental conditions and results under theinfluence of vents on water mist suppression effectiveness

續(xù)表1

3　實驗結果及比較分析

不同工況下細水霧的啟動時間不同，細水霧的滅火時間也不相同，具體的細水霧滅火實驗結果見表1。發(fā)現大多數情況細水霧均不能有效滅火，但能以控火的形式抑制火焰和煙氣層溫度。根據對實驗現象的觀察，細水霧在工況48下雖不能有效滅火，但控火作用顯著，因此以典型工況48為例進行如下分析。

如圖4所示，圖中為9組重復實驗曲線。在施加細水霧之前，受限空間煙氣層溫度迅速上升，但上升速率越來越小，在140 s左右施加細水霧后，煙氣層溫度下降，但細水霧不能有效滅火，只能控火，讓煙氣層溫度維持在一個平衡的范圍內波動，直至燃料燃完。為進一步說明細水霧的抑制作用，設置一組未施加水霧組作為對照，其與工況48唯一不同為實驗中不施加水霧。圖5顯示了工況48與其未施加水霧時的煙氣層平均溫度變化對比。

圖4　典型細水霧滅火過程中溫度變化情況(工況48)Fig.4　Temperature profiles during water mist fire suppression (Condition 48)

圖5　不同工況下煙氣層平均溫度變化對比 Fig.5　Variation curves of average smoke temperature under different conditions

3.1　開口位置對細水霧滅火有效性的影響

由于對稱性，即左上開口與右上開口雷同，本實驗考慮的開口位置有3種，即上、中、下。至于左右不對稱開口、上下小移動距離開口、2個以上復合開口，由于實驗條件所限，本文不予討論。

3.1.1典型工況41，45，49的典型結果與分析

這3組實驗開口大小均為0.3 m × 0.3 m，燃料均為400 g的93#汽油，油盆大小均為150 mm × 150 mm，分別對應上、中、下3種開口位置，其特殊受限空間內煙氣層平均溫度變化如圖6所示。

圖6　煙氣層平均溫度變化Fig.6　Variation curves of average smoke layer temperature

由圖6可知，細水霧施加之后，相當長時間內煙氣層平均溫度繼續(xù)升高，因此火災在工況41，45，49下并未能得到有效的抑制，也即滅火失敗。這是因為對于低閃點的汽油，低流量的細水霧(0.7 MPa)不僅難以通過稀釋作用使可燃氣體濃度降低至臨界濃度之下，也難以通過冷卻作用達到滅火的效果。但是相對而言，通過對開口位置不同的3組實驗結果進行分析，開口位置由下至上，由于煙氣排放越來越容易，施加細水霧以后特殊受限空間內煙氣層溫度由高到低，可見細水霧抑制火災有效性同樣是由低至高。但由于開口大小相同，空氣卷吸難度雖有所不同，但卷吸量卻差不多，煙氣成分分析得氧氣濃度相差不多，由下至上，分別為19.2%，18.1%，20.1%左右，二氧化碳濃度卻由高到低，分別為2.2%，1.3%，0.5%左右。

為得到上述結論，僅1組實驗結果還不能證明該結論的準確性，因此通過改變開口尺寸、火源大小、燃料驗證該結論的正確性。

3.1.2實驗結論的驗證

1.不同開口尺寸

1)工況29，33，37這3組實驗開口大小為0.3 m×0.6 m，開口位置、火源大小、燃料均與典型工況(工況41，45，49)相同。其特殊受限空間內煙氣層平均溫度變化如圖7所示。

圖7　煙氣層平均溫度變化Fig.7　Variation curves of average smoke layer temperature

通過對3組實驗結果進行分析，發(fā)現開口位置由下至上，細水霧抑制火災有效性由低至高，即工況37，33，29的抑制火災有效性逐漸升高，這與實驗結論相符，工況33細水霧能夠有效的抑制火災的發(fā)展。

2)工況17，21，25 3組實驗開口大小為0.6 m×0.6 m，開口位置、火源大小、燃料均與典型工況相同。其特殊受限空間內煙氣層平均溫度變化如圖8所示。實驗結果與實驗結論相符，工況25細水霧有效滅火。

圖8　煙氣層平均溫度變化Fig.8　Variation curves of average smoke layer temperature

2. 不同火源面積

工況42，46，50 這3組實驗油盆大小改為200 mm×200 mm，開口位置、燃料、開口尺寸與典型工況相同。其特殊受限空間內煙氣層平均溫度變化如圖9所示。發(fā)現其溫度分布與實驗結論相符。由于火源尺寸變大，熱釋放速率變高，故平均溫度較高。

圖9　煙氣層平均溫度變化Fig.9　Variation curves of average smoke layer temperature

3.不同燃料種類

工況44，48，52與典型工況相比，這3組實驗將燃料改為350 g柴油，50 g汽油引燃，油盆大小改為200 mm×200 mm，其他條件不變。其特殊受限空間內煙氣層平均溫度變化如圖10所示。發(fā)現這3組實驗溫度較為符合實驗結論，但不是特別明顯。實驗場景52在380 s左右，由于柴油中水滴積累較多，突然發(fā)生劇烈燃燒。

圖10　煙氣層平均溫度變化Fig.10　Variation curves of averaged smoke layer temperature

3.1.3實驗結論

綜上所述，可得以下結論：開口位置由下至上，細水霧抑制火災有效性由低至高。結合細水霧滅火機理，分析可能原因如下。

1)冷卻原因：開口位置越靠近下方，煙氣越容易聚集，煙氣層越厚，細水霧吸收熱量越多，越易蒸發(fā)，越不容易接觸火焰，減少能直接吸收火焰區(qū)熱量，降低火焰溫度的霧量，不能有效抑制火焰。

2)動力學機制原因：開口位置越靠近下方，煙氣越容易聚集，煙氣層越厚，阻力越大，細水霧越不容易通過煙氣層，降低了細水霧的動量，減弱細水霧對火焰的抑制作用。開口位置越靠近下方，卷吸空氣越容易，氧氣越容易補充，火焰越不容易撲滅，降低了細水霧對火災的抑制作用。

3)外部原因：開口位置越靠近下方，煙氣越不容易排放，更容易對噴頭造成堵塞，降低了細水霧的霧通量，減弱細水霧對火災的抑制作用。

3.2　開口尺寸對細水霧滅火有效性的影響

由于實驗條件所限制，本文討論開口的尺寸有全尺寸1.2 m×1.2 m，半尺寸0.6 m×1.2 m，1/4尺寸0.6 m×0.6 m，1/8尺寸0.3 m×0.6 m，1/16尺寸0.3 m×0.3 m以及全封閉0 m×0 m等6種尺寸。

3.2.1典型實驗工況1，21，45，53的結果與分析

這4組實驗開口大小分別為1.2 m×1.2 m，0.6 m×0.6 m，0.3 m×0.3 m，0 m×0 m，燃料均為400 g 93#汽油，油盆大小均為150 mm×150 mm，開口位置均在開口面正中位置。其特殊受限空間內煙氣層平均溫度變化如圖11所示。

圖11　煙氣層平均溫度變化Fig.11　Variation curves of smoke layer temperature

通過對開口尺寸不同的4組實驗結果進行分析，開口尺寸由大至小，由于煙氣排放越來越難，施加細水霧以后特殊受限空間內溫度由低到高，可見細水霧抑制火災有效性也是由高至低。但對于工況53，可能由于全封閉不能卷吸空氣，氧氣不足，燃燒不充分，火焰較為容易抑制造成的。

為得到上述結論，僅一組實驗結果還不能證明該結論的準確性，因此通過改變開口位置、火源大小、燃料驗證該結論的正確性。

3.2.2實驗結論的驗證

1.不同開口位置

1)工況9，17，29，41。這4組實驗開口大小分別為0.6 m×1.2 m，0.6 m×0.6 m，0.3 m×0.6 m，0.3 m×0.3 m，開口位置均在開口面左上位置，火源大小、燃料均與典型工況(工況1，21，45，53)相同，其特殊受限空間內煙氣層平均溫度變化如圖12所示。實驗結果表明：開口尺寸由大至小，細水霧抑制火災有效性也是由高至低，即工況9，17，29，41的抑制火災有效性逐漸降低，與實驗結論相符，工況9和17出現強化燃燒現象。

圖12　煙氣層平均溫度變化Fig.12　Variation curves of mean smoke layer temperature

2)工況5，25，37，49。這4組實驗開口大小分別為0.6 m×1.2 m，0.6 m×0.6 m，0.3 m×0.6 m，0.3 m×0.3 m，開口位置均在開口面右下位置，火源大小、燃料均與典型工況相同。其特殊受限空間內煙氣層平均溫度變化如圖13所示，發(fā)現施加細水霧以后特殊受限空間內溫度由低到高，符合結論，工況25有效滅火。

圖13　煙氣層平均溫度變化Fig.13　Variation curves of average smoke layer temperature

2.不同火源面積

工況2，22，46，54 的4組實驗油盆大小均改為200 mm×200 mm，開口位置、燃料、開口尺寸與典型工況相同，其特殊受限空間內煙氣層平均溫度變化如圖14所示。通過對4組實驗結果進行分析，發(fā)現與典型工況結論完全相同，但也出現了相同的問題，工況54處于全封閉環(huán)境，不能卷吸空氣，火焰較為容易抑制。對比工況53和54，發(fā)現氧氣濃度都一直處于20%左右，說明并不是氧氣不足造成的，故可得：當開口足夠小時，卷吸空氣擾動火焰作用足夠小時，開口越小，細水霧越容易抑制火焰。

圖14　煙氣層平均溫度變化Fig.14　Variation curves of average smoke layer temperature

3.不同種類燃料

工況3，23，47，55的 4組實驗燃料改成了350 g的柴油，用50 g汽油引燃，開口位置、火源大小、開口尺寸與典型工況相同。其特殊受限空間內溫度變化如圖15所示，發(fā)現符合結論。工況23中溫度最后出現較大擾動是因為霧水進入油盆，由于燃料是柴油，發(fā)生強化燃燒造成的。對于全封閉空間的結論，考慮工況55燃料是柴油，煙氣更多，故煙氣層平均溫度較高，但從抑制火焰的角度看是更為容易，符合結論。

圖15　煙氣層平均溫度變化Fig.15　Variation curves of average smoke layer temperature

3.2.3實驗結果分析

綜上所述，可得以下結論：開口尺寸由大至小，細水霧抑制火災有效性先是由高至低，當開口足夠小時，甚至接近全封閉，細水霧抑制火災有效性則是由低至高。結合細水霧滅火機理，分析原因如下。

1.冷卻原因：開口尺寸越小，煙氣越不容易排放，煙氣層越厚，細水霧吸收熱量越多，越易蒸發(fā)，越不容易接觸火焰，減少能直接吸收火焰區(qū)熱量，降低火焰溫度的霧量，不能有效抑制火焰。

2.動力學機制原因：開口尺寸越小，煙氣越不容易排放，煙氣層越厚，阻力越大，細水霧越不容易通過煙氣層，降低了細水霧的動量，減弱細水霧對火災的抑制作用。受限空間內的火災會受到卷吸空氣的影響，處于一個有擾動的燃燒環(huán)境，而且這種擾動是不利于細水霧抑制火災的。

3.外部原因：開口尺寸越小，煙氣越不容易排放，更容易對噴頭造成堵塞，降低了細水霧的霧通量，減弱細水霧對火災的抑制作用。

4　結論

1)特殊受限空間內，在相同條件下，開口位置由下至上，細水霧抑制火災有效性由低至高。

2)特殊受限空間內，在相同條件下，開口尺寸由大至小，細水霧抑制火災有效性由高至低。當開口尺寸足夠小以后，細水霧抑制火災有效性由低至高。

3)開口對特殊受限空間內細水霧滅火有效性影響的主要原因是煙氣排放的難易不同，動力學機制在滅火過程中起到了十分重要的作用。

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