李成孝，汪 泉,3，朱福元，李志敏，郭子如,3，程揚帆,3，李雪交,3

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水基滅火裝置爆炸拋灑成霧運動特性研究

李成孝1，汪 泉1,3，朱福元2,3，李志敏1，郭子如1,3，程揚帆1,3，李雪交1,3

（1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南，232001；2.淮南舜泰化工有限責(zé)任公司，安徽 淮南，232072；3.安徽省爆破器材與技術(shù)工程實驗室，安徽 淮南，232001）

為了研究爆炸驅(qū)動水成霧滅火作用過程，研制一種簡易水基爆炸滅火裝置。針對4種不同幾何尺寸的滅火裝置，采用HX-3型高速攝像機記錄水霧與柴油火作用全過程。通過研究水基滅火裝置爆炸拋灑滅火過程，認為爆炸驅(qū)動水拋灑運動分為3個階段：噴射階段、過渡階段和彌漫階段；理論分析和估算了拋灑過程中水霧的速度、半徑以及作用時間；分析了滅火裝置幾何尺寸因素對拋灑運動特性參數(shù)及滅火效果的影響。研究表明，滅火裝置的長徑比、比藥量以及水的質(zhì)量會對水霧爆炸拋灑過程造成影響。

爆炸水霧；高速攝像機；滅火裝置；滅火過程

目前，滅火劑種類主要有水系滅火劑、氣體滅火劑、泡沫滅火劑、干粉滅火劑、氣溶膠滅火劑[1]。水作為傳統(tǒng)的滅火劑，具有無污染、資源豐富等特點。霧狀水的滅火效果比噴淋水更好[2-3]，然而現(xiàn)有的細水霧滅火系統(tǒng)噴射距離較短，面對高層建筑、森林冠火以及草原火災(zāi)往往不能達到很好的滅火效果。利用炸藥爆炸的能量驅(qū)動水拋灑成水霧，結(jié)合了細水霧滅火和激波滅火的優(yōu)點[4]，在隔絕氧氣、降低溫度等綜合作用下，能實現(xiàn)良好的滅火效果。蔣耀港等[5]研究了冷激波滅火系統(tǒng)的機理和應(yīng)用；岳中文等[6]在水袋內(nèi)放置條形藥包，研究爆炸作用下液體拋灑初期水霧運動速度的影響因素；丁玨[7]用V形槽裝水進行爆炸拋灑，研究抑制火焰和激波的傳播；汪泉等[8]研究了爆炸水霧撲滅油火過程，分析了其滅火有效性問題。

本文采用PVC材質(zhì)制作了4種幾何尺寸的簡易水基滅火裝置，裝置中心固定安裝起爆裝置（防水處理），采用HX-3型高速攝像機記錄水霧爆炸拋灑滅火全過程，研究了爆炸拋灑過程水霧的運動特點以及滅火效果的影響因素，實驗結(jié)論對優(yōu)化水基滅火彈結(jié)構(gòu)設(shè)計有重要參考價值。

1 實驗設(shè)計

為了驗證水基滅火裝置爆炸滅火能力，在室外露天環(huán)境范圍進行滅火模擬實驗（環(huán)境0～1級風(fēng)，風(fēng)速在0～1.5m/s），實驗器材主要有爆炸滅火裝置、自制背景標尺、中心裝藥、雷管、高速攝像機、油盤等，如圖1所示。爆炸滅火裝置和油盤放在同一支撐平臺上，高速攝像機的鏡頭與滅火裝置中心線齊平，為了更好地分析水霧爆炸拋灑的過程，使用自制的背景標尺（刻有10cm×10cm網(wǎng)格線）作為襯托。

圖1 實驗裝置示意圖

1.1 水基滅火裝置

水基滅火裝置共有內(nèi)外兩個管體，如圖2所示。

圖2 水基滅火裝置示意圖

圖2中外管體采用PVC塑料制成，管體上下用封頭密封，外管體內(nèi)部充水；內(nèi)管體內(nèi)放置非電導(dǎo)爆管雷管和黑索今（實驗所用RDX質(zhì)量均為3.75g），內(nèi)管體位于外管體中心線位置。

1.2 高速攝像機

采用HX-3型彩色高速攝像機記錄水霧運動及其與油火作用過程，拍攝速率為7 000fps，單幀像素為1 280×1 024，并用計算機記錄高速攝像機所拍攝照片及處理數(shù)據(jù)。

1.3 裝置參數(shù)

實驗共分4組進行，每組實驗所用的炸藥質(zhì)量相同，改變滅火裝置的幾何尺寸，實驗中左右兩側(cè)的油盤距離滅火裝置分別是300mm、500mm，為保證油盤燃燒的持久性，油盤內(nèi)加有200mL的0號柴油，滅火裝置的幾何尺寸參數(shù)見表1所示。

表1 爆炸滅火實驗裝置參數(shù)

Tab.1 Experimental parameters of explosion extinguishing device

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 水霧爆炸拋灑實驗

實驗采用高速攝像記錄拋灑裝置的破裂過程和水霧拋灑的過程，以及水霧拋灑形態(tài)隨時間的變化，圖3為部分水霧爆炸拋灑實驗過程的高速攝像分幅照片。

圖3 水霧爆炸拋灑過程分幅照片

2.2 水霧爆炸拋灑過程分析

對于水霧爆炸拋灑過程，運用Matlab軟件對分幅照片進行圖像處理，以拋灑水霧最外邊緣處典型質(zhì)點作為參考點，計算出水霧拋灑過程的瞬時速度，并得出不同裝置尺寸下水霧拋灑速度隨時間變化曲線，如圖4~5所示。

圖4 高度為200mm的兩種滅火裝置水霧拋灑速度時程曲線

圖5 高度為150mm的兩種滅火裝置水霧拋灑速度時程曲線

據(jù)文獻[9-10]可知，由于水霧受到爆炸沖擊作用力和空氣阻力的綜合影響，可將水霧運動過程分為3個階段：噴射階段、過渡階段、彌漫階段。

（1） 噴射階段

爆炸裝置發(fā)生爆炸以后，產(chǎn)生的高溫高壓爆轟產(chǎn)物推動液體介質(zhì)向外運動，由于水的可壓縮性小，連同爆轟產(chǎn)物氣體形成活塞。在爆炸拋灑的初始階段，爆炸沖擊作用力和空氣阻力同時作用在活塞上，但爆炸沖擊作用力遠大于周圍空氣阻力，活塞受到的合力促使液體向外作加速運動。由圖4~5可以看出，在0~0.5ms之間，4組實驗中的水在短時間內(nèi)均完成了加速過程。加速階段時，爆轟氣體和水形成的活塞界面并不穩(wěn)定，在不斷加速的過程中導(dǎo)致液體發(fā)生首次破碎成液滴。

（2） 過渡階段

水拋灑達到最大速度以后，由于爆轟產(chǎn)物的壓力隨著爆轟氣體的膨脹越來越小，當壓力小于空氣阻力時，液體開始作減速運動。液體在表面張力的作用下?lián)p失一部分動能，發(fā)生首次破碎的液體在粘性力、顆粒尺寸、速度達到一定值時，將發(fā)生二次破碎形成更小的液滴，從達到最大速度到二次破碎結(jié)束的過程中，速度會隨著時間呈指數(shù)形式衰減。如圖4~5所示，各組實驗中的水在達到最大速度后，速度迅速衰減。

（3） 彌漫階段

水的速度衰減到一定值后，由于液體破碎成極小的霧狀，液體間的相互作用力以及表面張力可以忽略不計，此時主要受到空氣阻力的影響，速度會繼續(xù)減小，衰減幅度極小。

2.3 水霧爆炸拋灑過程參數(shù)分析

2.3.1 水霧拋灑水的速度

當水霧拋灑處于噴射階段時，主要受到爆炸沖擊作用力，爆炸產(chǎn)物可按PV =的規(guī)律膨脹，爆炸產(chǎn)物分界面處質(zhì)點的速度為[11]：

式（1）中：u為分界面處質(zhì)點速度；v為炸藥爆速；為爆炸產(chǎn)物多方指數(shù)；為爆炸產(chǎn)物界面壓力；0為爆轟波陣面壓力。利用公式（1）計算出的水爆炸拋灑最大初速度，與圖4~5所示速度數(shù)值基本吻合，4組實驗中水霧最大初速度分別為：280m/s、350m/s、455m/s和420m/s，而且隨著水的質(zhì)量增大，達到的最大初速度就越小，但達到最大速度所用的時間越短；爆炸裝置直徑增大，最大初速度減小。

由圖4~5可知，當滅火裝置高度為200mm時，長徑比大的3號裝置（/=4）爆炸拋灑后達到的最大速度大于1號裝置（/=2.67）；當滅火裝置高度為150mm時，長徑比大的4號裝置（/=3）爆炸拋灑后達到的最大速度大于2號裝置（/=2），可以看出水霧拋灑獲得的最大初速度與長徑比變化有關(guān)。長徑比大的滅火裝置，水霧拋灑初期得到的徑向初速度比長徑比小的滅火裝置要大得多，這是因為長徑比大的滅火裝置單位長度內(nèi)液體質(zhì)量較小，在爆炸初始壓力相同的情況下，能獲得較大的初速度。

當水霧拋灑處于過渡階段時，其拋灑速度隨時間呈指數(shù)衰減，可表示為[12]：

=maxe（2）

式（2）中：max為水霧拋灑最大初速度；為衰減系數(shù)；為水霧拋灑運動時間。

根據(jù)圖4~5得出水霧速度的運動規(guī)律，符合公式（2）的指數(shù)衰減關(guān)系，經(jīng)擬合后的1、2、3、4組實驗中水霧衰減系數(shù)分別為：1=-0.186 6，2=-0.307 2，3=-0.423 2，4=-0.286 6。

2.3.2 水霧拋灑的半徑

水霧半徑是指在水平方向上爆炸裝置中心距離水霧拋灑最外端質(zhì)點的距離，水霧半徑的確定對于確定有效滅火區(qū)域和提高爆炸滅火裝置在水平方向的做功能力有著非常重要的意義，圖6~7為不同尺寸下水霧拋灑半徑隨時間變化的曲線。

圖6 高度為200mm的兩種滅火裝置水霧拋灑半徑時程曲線

圖7 高度為150mm的兩種滅火裝置水霧拋灑半徑時程曲線

由圖6~7可知，4組水霧在0～5ms之間半徑增加較為明顯，5ms以后增長較為緩慢，符合彌漫階段的特征。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，爆炸水霧拋灑半徑可以用經(jīng)驗公式（3）擬合[12]：

由圖6~7可知，在水霧爆炸拋灑前期，長徑比大的滅火裝置拋灑半徑較大，但是后期水霧拋灑半徑基本相似?？梢钥闯?，長徑比變化不會影響水霧最終拋灑半徑的變化，因此長徑比不是水霧拋灑半徑的主要影響因素。

2.3.3 水霧拋灑的作用時間

通過高速攝像法測得水霧拋灑的作用時間，不同比藥量2/1（裝藥質(zhì)量和水質(zhì)量之比）下的作用時間結(jié)果如表2所示。

表2 不同2/1時水霧拋灑作用時間

Tab.2 Water mist spraying time for different M2/M1

由表2可以看出，比藥量越大水霧拋灑作用時間越長，這是因為當比藥量較大時，裝置爆炸瞬間對水的做功較多，爆炸產(chǎn)生的能量衰減較慢，水霧初速度大于比藥量小的爆炸滅火裝置，使得水霧在彌漫階段運動的時間增加，水霧霧化效果提高。

2.4 水基滅火介質(zhì)爆炸滅火效果及分析

水作為一種傳統(tǒng)的滅火介質(zhì)，當水和燃燒物接觸時，高溫會使水發(fā)生汽化現(xiàn)象，帶走著火區(qū)域大量的熱，同時降低燃燒物的溫度，使其溫度處于可燃點以下。水的滅火具體作用有以下幾種[13]：（1）冷卻作用：水的比熱容較大，其常壓下的定壓比熱容為4.2kJ/ (kg·℃)，由于這一特性，水在滅火過程中可以帶走巨大的熱量，降低可燃物的溫度。（2）分離作用：水由于爆炸形成的水霧會將火焰與可燃物隔離開，使得熱量很難從火焰區(qū)向可燃物傳遞，破壞了可燃氣體產(chǎn)生與可燃氣體消耗的平衡，終止了穩(wěn)定燃燒的過程。（3）水霧的破碎：水受到爆炸作用力加速到最大初速度以后，由于空氣阻力、粘滯力、表面張力的影響，水會破碎成較小的團狀、塊狀水滴，當水滴的尺寸和速度達到一定值后將發(fā)生二次破碎[14]。

水本身能夠吸收大量的熱，破壞燃燒過程中的能量平衡，當水不斷破碎成水霧時，能夠加快水汽化成水蒸氣的過程，使著火區(qū)域溫度降得更快，而且產(chǎn)生的水蒸氣會占據(jù)空氣中一氧化碳、氧氣等可燃和助燃氣體的空間，將可燃物和助燃氣體分開。整個過程不僅從源頭上能夠撲滅火災(zāi)，還能從燃燒反應(yīng)中間徹底切斷反應(yīng)鏈，極大地提高了滅火效率。

水霧爆炸拋灑滅火結(jié)果如表3所示，4組實驗中，只有3號實驗中右側(cè)火焰未被撲滅。

對比3號和4號的實驗結(jié)果，可知滅火裝置高度增加，滅火能力降低；結(jié)合圖4~5的速度曲線可知，當滅火裝置高度增加時，水霧拋灑速度衰減較快，可能因為重心的提高導(dǎo)致在縱向分散的能量較多，使徑向滅火能力減弱。對比1號和3號的實驗結(jié)果，3號實驗右側(cè)火焰未滅，由圖4和圖6可以看出，增加滅火裝置的直徑，水霧速度衰減程度較小，彌漫階段的水霧速度較大，而水霧拋灑半徑也略微增加，能夠提高滅火能力。

表3 爆炸水霧滅火結(jié)果

Tab.3 The results for explosive water mist extinguishing fire

3 結(jié)論

基于自行設(shè)計的爆炸水霧裝置，研究了水霧爆炸拋灑過程的基本參數(shù)，得到以下主要結(jié)論：（1）通過實驗研究與分析，認為水霧的爆炸拋灑過程分為噴射、過渡和彌漫3個階段。（2）在實驗條件下，增大長徑比能提高水霧拋灑初期速度，但不會影響最終水霧拋灑半徑。水量的增大會降低水霧拋灑的初速度。（3）在實驗條件下，提高比藥量（2/1）可以延長水霧的作用時間，使水介質(zhì)霧化破碎更徹底，粒徑更小，提高水霧拋灑的最大初速度，增加有效滅火的范圍，提高滅火效率。

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Investigation on the Motion Characteristics of Explosive Dispersion for Water-based Fire Extinguishing Device

LI Cheng-xiao1, WANG Quan1,3, ZHU Fu-yuan2,3, LI Zhi-min1, GUO Zi-ru1,3, CHENG Yang-fan1,3, LI Xue-jiao1,3

（1.School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, 232001；2 Huainan Shuntai Chemical Industry Co.Ltd., Huainan,232072;3. Anhui Engineering Laboratory of Explosive Materials and Technology, Huainan,232001）

To study the fire extinguishing effect of water mist driven by explosive, a simple water-based explosive extinguishing device was developed. Aimed at four fire extinguishing device with different length and diameter, the HX-3 high-speed camera was used to record the whole process of the reaction between water mist and diesel fire. Through studying the fire extinguishing process of water-based fire extinguishing device, it is considered that the motion of water spilling driven by explosive can be divided into three stages, which are injection stage, transitional stage and diffusion stage. Meanwhile, the velocity, radius and function time of water mist in the process of spraying were analyzed and estimated, as well as the influence of geometric dimensions of fire extinguishing device on spraying motion characteristic parameters and fire extinguishing effect was analyzed. It is found that the ratio of length to diameter, specific charge mass and volume of water of fire extinguishing device will affect the spraying process of water mist explosion.

Explosion water mist; High speed camera; Fire extinguishing device; Fire extinguishing process

1003-1480（2019）02-0019-05

TQ569

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.005

2018-11-16

李成孝（1993-），男，碩士研究生，主要從事爆炸滅火研究。

國家自然科學(xué)基金（11502001, 11872002）, 安徽省新型爆炸材料及應(yīng)用創(chuàng)客實驗室（2016ckjh073）。