姚輝輝，張光學，吳林陶，陳子越，龐穎鋼，林宸煜

(中國計量大學能源工程研究所，浙江 杭州 310018)

0 引 言

火災煙霧是由可燃物燃燒或熱解時產(chǎn)生的固體顆粒、液體液滴以及夾帶的空氣形成的復雜混合物[1]。火災煙霧由于其強烈的遮光性和毒害性而成為火災中最為致命的因素[2]。當逃生通道內(nèi)充滿濃度較高的火災煙霧時，被困人員對逃生路徑的判斷將會出現(xiàn)極大偏差，這將導致人員火場滯留時間增加，而吸入大量毒性的火災煙霧將導致胸悶、心悸、心率加快、惡心以及視線模糊等不良反應，甚至可能引起昏迷和抽搐[3]。據(jù)統(tǒng)計，近10年來，我國共發(fā)生高層建筑火災3萬余起，死亡人數(shù)500余人，火災造成的直接經(jīng)濟損失15.6億元，其中不乏特大火災及重大火災，我國的建筑火災預防和控制形勢非常嚴峻[4]。

建筑火災初期階段是人員逃生的關鍵時期，有效的控煙手段可以大幅提高人員逃生成功率[5]。現(xiàn)有的控煙手段包括圍護結構擋煙、隔室控煙、機械加壓送風排煙、自然排煙等[6]，但仍存在不足之處。例如用于建筑物的防火和防煙隔層，由于其在高度上有所限制，并不能起到很好的煙霧防控作用，甚至還可能阻礙消防人員的緊急救援[7]。自然排煙的效果不夠穩(wěn)定，排煙窗無法及時開啟；機械排煙的效果較好，但存在引入新鮮空氣助長火勢的隱患[8]。水霧作為一種廣泛使用的滅火方法，不僅能有效降低火焰熱輻射，同時還可快速抑制煙霧濃度的增長[9-11]。然而，也有部分學者指出，在一些情況下，水霧的散射和吸收可能導致能見度的降低[12]。

聲波團聚是一種氣溶膠處理技術，對氣溶膠施加高強聲場使得顆粒之間發(fā)生相對運動，碰撞并團聚成大顆粒，從而降低氣溶膠顆粒濃度[13]。劉建忠等[14]使用聲壓級為147 dB、頻率為1.4 kHz的低頻聲波對燃煤飛灰氣溶膠進行團聚處理，降低了68.4%的氣溶膠數(shù)量濃度。陳厚濤等[15]使用聲波團聚技術對顆粒濃度峰值為0.07 μm的超細顆粒物進行清除，160 dB聲壓級時，PM2.5顆粒數(shù)量濃度減少了58.9%。Volk等[16]將粒徑范圍為0.1～1 μm的炭黑固體顆粒作為測試氣溶膠，研究聲壓級、頻率、顆粒濃度以及停留時間對聲波團聚效果的影響，發(fā)現(xiàn)其最佳頻率為 3 kHz。聲波團聚技術對液滴氣溶膠同樣有著不錯的降低濃度的效果。在頻率為6 kHz、聲壓級為148 dB的聲場中，10 s內(nèi)液滴氣溶膠透光率從 0提高至 90%，質(zhì)量濃度減少了99%[17]。林宸煜[18]等通過區(qū)別聲波的頻率和聲壓級發(fā)現(xiàn)存在聲流與聲渦現(xiàn)象，而這兩者隨著頻率與聲壓級的變化對顆粒物團聚的作用強弱也相應改變，提供了宏觀層面的聲波團聚研究基礎。

聲波團聚技術在細顆粒物處理領域表現(xiàn)出了巨大潛力，而火災煙霧同樣適用于該技術。張光學等[19]以聲壓級為141 dB、聲頻率為1.5 kHz的聲波作用于充滿聚苯乙烯材料燃燒煙霧的密閉團聚室。在30 s處理時間內(nèi)，透光率從24%提高到75%，達到了人員安全逃生的閾值。兩分鐘后，團聚室內(nèi)的火災煙霧被完全消除。

然而，現(xiàn)階段關于聲波團聚處理火災煙霧的研究還十分匱乏。實驗多以密閉的小容積團聚室為主，聲波能量較為集中，可以取得較好的團聚效果，而對于動態(tài)火災煙霧聲波處理的研究不夠深入，并且過高聲壓級的聲波可能在人員逃生時造成進一步的恐慌，甚至聽覺受損。同時，聲波耦合其他方法處理火災煙霧的效果也還有待實驗探究。本文以炭黑顆粒作為研究對象，利用聲波團聚耦合水霧消除火災煙霧，并探究聲波頻率、聲功率、水霧濃度、煙霧濃度、停留時間等因素對團聚效果的影響，為今后的消防及實際工業(yè)應用提供實驗依據(jù)和指導。

1 聲波耦合水霧消煙機理

顆粒在聲場中發(fā)生團聚的過程較為復雜，而關于聲波團聚的研究發(fā)展至今，同向團聚機理是最為重要的顆粒團聚機理[20]。同向團聚機理由Mednikov[21]首次提出，它是聲波團聚機理中最重要的機理之一。由于氣體介質(zhì)在聲波的作用下會產(chǎn)生振蕩，而氣體存在黏性，振蕩的同時挾帶氣溶膠顆粒一起運動。不同尺寸的顆粒所帶有的慣性不同，因此其被聲波所挾帶的程度也有差異，這將導致它們之間產(chǎn)生相對運動并發(fā)生碰撞和粘附[22]。

在聲波團聚過程中，顆粒振幅與氣體介質(zhì)振幅的比值稱為挾帶系數(shù)，記作μ，表達式為[19]

式中：μij為顆粒i和顆粒j的相對挾帶系數(shù)，μi和μj分別為顆粒i和顆粒j的挾帶系數(shù)，τi和τj分別為顆粒i和顆粒j的粒子弛豫時間。

圖1顯示了聲場中兩個固體顆粒之間的相對挾帶系數(shù)μp,p，以及固體顆粒與液滴之間的相對挾帶系數(shù)μp,d。以粒徑20 μm的液滴和具有代表性的2、5 μm固體顆粒氣溶膠進行計算，其中液滴和固體顆粒密度分別為 1 000 kg·m-3和 2 500 kg·m-3。由圖 1可知，在不添加液滴的情況下，最佳團聚頻率范圍內(nèi)固體顆粒之間的相對挾帶系數(shù)一般不高于 0.6，即固體顆粒間的相對運動較弱，團聚效率也較為一般。添加水霧液滴后，氣溶膠分散性及相對挾帶系數(shù)提高明顯，最佳團聚頻率范圍也相應拓寬[25]。

圖1 頻率與顆粒粒徑間相對挾帶系數(shù)關系圖Fig.1 Relationship of frequency with the relative entrainment coefficient between particles of different diameters

聲波團聚過程中，顆粒之間碰撞導致團聚的概率稱之為黏著系數(shù)，范圍為0～1[26-27]。顆粒間以范德華力粘附結塊，其黏著系數(shù)一般較低。有實驗證明，在高強聲場中，團聚體結構可能發(fā)生破裂而降低團聚效率[28]。向固體顆粒氣溶膠中加入液滴后，強度更大的液橋力成為團聚體內(nèi)顆粒間的主要作用力，團聚體破碎概率降低，團聚效率提高[29-30]。

2 實驗設備及方法

實驗裝置如圖2所示，以炭黑顆粒為原料模擬火災煙霧，由微量給料機(瑞士 LAMBDA 0-1L/M型)調(diào)節(jié)給料量，炭黑顆粒在文丘里混合器中與送風均勻混合形成粒徑分布在1～5 μm之間的煙霧氣溶膠。聲源系統(tǒng)由信號發(fā)生器(SFG-1013)、功率放大器(RMX 2450)、壓縮式驅(qū)動器(SH7531-8Ω)組成。信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦電信號，該信號經(jīng)功率放大器進行功率放大后由壓縮式驅(qū)動器產(chǎn)生穩(wěn)定的聲波，其聲壓級在 115～130 dB之間。團聚室內(nèi)徑為10 cm、高度為1.5 m，材質(zhì)為亞克力有機玻璃，便于觀察團聚室內(nèi)火災煙霧流動情況。送風機空氣流量控制為2.5 m3·h-1，煙霧在團聚室內(nèi)停留時間約為17 s，即為聲波對煙霧作用時長。能見度測量系統(tǒng)是由激光發(fā)射器及激光功率計(LP1)組成，通過測得的透射光強值計算其煙霧能見度、透光率、團聚效率等參數(shù)。水霧發(fā)生裝置產(chǎn)生粒徑范圍為5～20 μm的水霧氣溶膠。

圖2 系統(tǒng)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental facilities

根據(jù)Lambert-Beer定律，由于煙霧顆粒對光的散射和吸收，穿過煙霧的激光強度會降低。透光率T的定義為[17]

式中：Iλ為穿過煙霧的透射激光光強， Iλ0為團聚室內(nèi)無煙霧時透射激光光強，團聚室壁面因素對透射光強的影響已經(jīng)納入計算。

煙霧體積分數(shù)、質(zhì)量濃度與透光率之間的計算關系為[31]

式中：Tλ為實驗條件下煙霧透光率，T0為煙霧初始透光率，Vλ為實驗條件下煙霧體積分數(shù)，V為煙霧初始體積分數(shù)，Mλ為實驗條件下煙霧質(zhì)量濃度，M0為煙霧初始質(zhì)量濃度。

為了定量地比較團聚效果，將實驗條件下氣溶膠質(zhì)量濃度減少百分比定義為團聚效率η，公式為[23]

煙霧對光的散射系數(shù)和吸收系數(shù)之和稱之為消光系數(shù)，記作K，該系數(shù)表征煙霧對光強的削減程度強弱，公式為[19]

式中：L為激光透過觀察室的光路長度。

根據(jù)透光率計算得到的消光系數(shù)，可以進一步計算得出更直觀的煙霧氣溶膠可見度參數(shù)，該參數(shù)定義為觀察者可識別物體相對于背景的距離，計算公式為[19]

式中：S為團聚室內(nèi)煙霧可見度，C表示通過煙霧觀察的物體類型恒定特征[18]。

3 結果與討論

3.1 煙霧粒徑分布變化

在團聚室尾部使用撞擊式氣溶膠采樣儀(FA-3)對火災煙霧進行采樣分析，該儀器測量粒徑范圍為0.5～10 μm，測量結果如圖3所示。顆粒的粒徑分布特點通常利用幾何分布加以描述，即隨lgd的變化，其中d 是液滴顆粒的粒徑；N 是顆粒數(shù)目濃度，dN表示單位體積內(nèi)尺寸為lgd到lg d+d( lg d )之間的顆粒數(shù)目，且由于顆粒粒徑分布范圍較廣，一般使用對數(shù)坐標。初始狀態(tài)下，煙霧濃度為 50 g·m-3，氣溶膠顆粒數(shù)量濃度較大。施加頻率為1.5 kHz、功率為10 W的聲波，各個粒徑范圍下的顆粒物濃度均出現(xiàn)一定程度下降，0.9 μm與2.7 μm粒徑的顆粒濃度降低明顯，而其他粒徑的濃度降低幅度較小。聲波團聚耦合水霧技術中水霧濃度為 30 g·m-3，各個粒徑范圍顆粒物濃度均明顯下降，而相比較僅聲波處理的效果，聲波耦合水霧處理條件下細顆粒數(shù)量減少了80%以上，團聚效率大幅提高。

圖3 聲和水霧作用下的煙霧氣溶膠的粒徑分布Fig.3 Particle size distributions of smoke aerosol under the action of sound and water mist

圖4為場發(fā)射掃描電鏡觀測到的微觀顆粒物樣貌。原始條件下以圖4(a)小顆?；蛘咝F聚體的形式存在，這些顆粒的直徑大多處于 5 μm以下，符合上文的撞擊器測量結果。施加頻率為1.5 kHz的聲波后，團聚體體積明顯增大，且團聚體內(nèi)顆粒數(shù)目顯著增加，存在大量如圖4(b)所示的典型鏈狀團聚體，顆粒之間以范德華力為主要作用力相聯(lián)結，團聚體尺寸在10～50 μm之間。圖4(c)為僅加入水霧時呈現(xiàn)的小團聚體，液橋力將細小顆粒收集進內(nèi)部，團聚體多呈球狀，尺寸在10～100 μm間不等。聲波團聚耦合水霧技術的團聚體微觀樣貌如圖4(d)所示，團聚效果非常明顯，團聚體尺寸也較大，能夠增加至 100 μm以上，圖中所示團聚體已遠大于100 μm，呈球狀結構并且內(nèi)部顆粒緊密聯(lián)結，其周圍分布著大量小型團聚體，可在聲波作用下進一步團聚。

圖4 不同條件下炭黑煙霧顆粒微觀樣貌Fig.4 Electron microscope images of smoke aerosol particles under different conditions

單一聲波條件下小顆粒團聚體內(nèi)部的作用力主要為范德華力。該作用力強度較弱，在聲場強度達到一定閾值后繼續(xù)增加聲功率輸入，團聚效率會保持原有水平甚至可能減弱[28]。向火災煙霧中僅添加水霧作為團聚劑，其效果也較為一般。僅由空氣流動造成的顆粒間碰撞概率較低，團聚收集效果較差。另外，水霧液滴間也存在團聚現(xiàn)象，若沒有團聚并沉降，同樣會對光線造成散射和吸收而影響能見度[12]。向聲場中添加水霧可以將兩者的技術優(yōu)勢相結合，水霧可以充當收集核并且為團聚體顆粒間提供液橋力，使得團聚體結構緊密，不易發(fā)生破碎；而聲波對顆粒有著良好的挾帶作用，不同慣性的顆粒間發(fā)生相對運動，為團聚創(chuàng)造碰撞條件。聲波團聚耦合水霧消除火災煙霧技術產(chǎn)生的團聚體顆粒粒徑普遍較大，而當顆粒的質(zhì)量達到一定程度后重力沉降因素也成為提高煙霧能見度的重要因素[32]。

3.2 頻率對透光率的影響

已有相關的研究表明，聲波團聚技術中頻率是重要參數(shù)之一，對于給定粒徑分布的氣溶膠存在某個最佳頻率范圍，在該頻率范圍內(nèi)聲波團聚效率達到最佳，而偏離該范圍將會使得團聚效果不同程度減弱[14,33]。

如圖5所示，火災煙霧初始透光率僅為34.5%。向火災煙霧中施加功率為10 W的聲場后，透光率得到了大幅提高。

圖5 不同條件下煙霧透光率對比Fig.5 Transmittances of smoke aerosol under different conditions

由圖5可知，頻率為1.5 kHz的聲波效果較好，達到了87.5%的透光率，而頻率為0.5 kHz聲波效果較差，也達到了 65.6%。向聲場中加入濃度為30 g·m-3的水霧，頻率1.5 kHz的聲波的透光率提高至95.1%，而效果一般的頻率6 kHz的聲波也達到了77.5%的透光率。

聲波對火災煙霧起到了較好的團聚作用，透光率也有了較大幅度的提高，但受頻率影響較大，最佳團聚頻率的范圍較窄。添加水霧液滴作為收集核，氣溶膠分散性提高。依據(jù)同向團聚機理，粒徑相差較大的顆粒間產(chǎn)生的相對挾帶系數(shù)也越大，相對運動劇烈，顆粒間碰撞次數(shù)增多。最佳團聚頻率范圍擴大，偏移該頻率范圍時，團聚效率下降趨勢較為平緩。水霧產(chǎn)生的液橋力使得煙霧顆粒碰撞后團聚有效性提高，擴大了火災煙霧中可適用的聲波頻率范圍。由此可知，聲波團聚耦合水霧技術優(yōu)于單一的聲波團聚技術，該技術可將團聚效率進一步提高，并且擴大最佳團聚頻率范圍，該技術更適合于消除火災煙霧。

火災中，人員安全逃生的消光系數(shù)閾值為1.2 m-1[34]，結合式(8)，可得人員逃生能見度閾值為2.5 m。在大于該值的能見度情況下，火場人員可有效識別逃生指示信號及逃生路徑，大大提高逃生成功率。

如圖6所示，以本實驗團聚室為實驗空間，監(jiān)測火災煙霧在不同處理條件下達到逃生能見度閾值所需聲功率。僅聲波作為處理條件時，其聲功率較大，頻率為1.5 kHz的聲波需9.1 W功率輸入，而效果較差的頻率為0.5 kHz和6 kHz的聲波則分別需要13.2和13.6 W功率輸入才能使得團聚室內(nèi)火災煙霧能見度提升至閾值。向火災煙霧中加入濃度為30 g·m-3的水霧，達到同樣的能見度閾值所需功率明顯下降。頻率為6 kHz聲波的聲功率最高，為8.7 W，而頻率為1.5 kHz聲波所對應的聲功率僅為5.0 W。

圖6 有或無水霧情況下達到能見度閾值的聲功率對比Fig.6 Acoustic power consumption required to reach the visibility threshold with or without adding water mist

實驗所用頻率均在人耳的聽覺范圍內(nèi)，高功率的輸入將會導致聲音過大而損傷人耳。同樣的團聚效果，水霧的添加大幅降低了聲功率，如頻率為1.5 kHz聲波從9.1降至5 W，聲壓級也從122降至119 dB，在快速有效地消除火災煙霧的同時也有助于保護火場逃生人員的聽覺健康。

3.3 水霧濃度的影響

水霧作為種子顆粒和收集核，其濃度的大小將會影響聲場中火災煙霧的團聚效果。初始火災煙霧濃度為50 g·m-3，聲功率為15 W，分別施加10、20、30、40和50 g·m-3五種不同濃度的水霧于聲場中，實驗結果如圖 7所示。30 g·m-3的水霧濃度條件達到了較好的能見度，在1.5 kHz頻率下能見度提升至 8.0 m。20 g·m-3和 40 g·m-3水霧濃度下能見度略有降低。水霧濃度10 g·m-3條件下，能見度提升程度較小。而水霧濃度50 g·m-3條件下能見度比僅聲波處理時更小，光線同時受到了火災煙霧和水霧的遮擋。

圖7 水霧濃度對能見度的影響Fig.7 Effect of water mist concentration on visibility

水霧濃度是影響聲波耦合水霧團聚火災煙霧的重要因素之一，過低或過高的濃度都將導致能見度提升效果減弱，過量的水霧甚至可能生成白霧蒸汽對光線造成二次阻擋[12]。因此，加入的水霧濃度需要加以控制以達到提升能見度的效果。

3.4 初始煙霧濃度的影響

理論上，氣溶膠初始濃度的大小表示了顆粒間的間距，初始濃度越大則顆粒間距越小，其碰撞的概率越高，團聚效率也更高。圖8為聲波團聚耦合水霧技術在不同初始煙霧濃度下的團聚效率影響，聲功率為 15 W，水霧濃度為 30 g·m-3。由圖 8可知，初始煙霧濃度越高，團聚效率也越高。初始煙霧濃度達到 50 g·m-3的情況下，頻率為 1.5 kHz的聲波耦合水霧團聚效率達到95.2%。當初始煙霧濃度降低時，團聚效率也開始下降，且初始濃度均勻遞減的情況下，團聚效率降低幅值開始增大。

圖8 初始煙霧濃度對團聚效率的影響Fig.8 Effect of initial smoke aerosol concentration on agglomeration efficiency

由上述實驗現(xiàn)象分析可知，聲波團聚耦合水霧技術在較高的初始煙霧濃度條件下將會取得顯著的效果，雖然該技術無法完全消除掉火災煙霧，但在本實驗條件下聲波作用17 s內(nèi)可快速提高火災煙霧能見度，為火場逃生人員創(chuàng)造有利條件。

4 結 論

本文通過改變聲波頻率、聲功率、水霧濃度和初始煙霧濃度等參數(shù)研究了耦合水霧的聲團聚消煙效果，得到如下結論：

(1) 水霧提供的液橋力保證了團聚體結構的穩(wěn)定性以及更好的消煙效果。在初始煙霧濃度為50 g·m-3、水霧濃度為30 g·m-3、聲功率10 W和聲波頻率1.5 kHz條件下，火災煙霧顆粒數(shù)目減少了80%以上。

(2) 添加水霧后顆粒間的相對挾帶系數(shù)增大，相對運動增強，并且最佳團聚頻率范圍被擴大。在聲波頻率為1.5 kHz時，煙霧透光率可高達95.1%。

(3) 在耦合水霧的聲團聚消煙技術中，水霧的濃度需要加以控制，避免造成光線的二次遮擋。

(4) 初始煙霧濃度越高，則顆粒間距越小，團聚效率也越高，將聲波耦合水霧技術應用在煙霧較濃的通道頂部區(qū)域，可能取得更好的消煙效果。