劉洋鵬 ，王喜世，沈佳杏，李國(guó)春，倪小敏，潘傳魚

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026；2.浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027；3.浙江大學(xué)湖州研究院，湖州 313000)

自20 世紀(jì)80 年代聯(lián)合國(guó)《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》簽署以來(lái)[1]，憑借綠色、環(huán)保、高效滅火等優(yōu)勢(shì)，細(xì)水霧被看作是一種重要的鹵代烷系列滅火劑的替代品[2-3].細(xì)水霧作為一種有效的防護(hù)技術(shù)，已在A、B、C 類等火災(zāi)的抑制以及燃油氣、粉塵爆炸及鋰離子電池?zé)崾Э胤揽氐戎T多實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景中發(fā)揮著重要的作用[4-7].一些具有特定功能的場(chǎng)所諸如大型倉(cāng)庫(kù)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)艙等，一旦發(fā)生火災(zāi)，往往存在障礙物空間遮擋的特性.以大型倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)為例，火源通常位于貨架底部或被上層貨物所遮擋.美國(guó)消防協(xié)會(huì)(NFPA)對(duì)倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在安裝傳統(tǒng)水噴淋系統(tǒng)的倉(cāng)庫(kù)中火災(zāi)發(fā)生數(shù)占比依舊高達(dá)33%[8].由于倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)所普遍存在火源被障礙物遮擋情況，傳統(tǒng)水噴淋技術(shù)難以有效保護(hù)該類場(chǎng)所.前人通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到細(xì)水霧霧滴在有障礙物遮擋情況下具備在較長(zhǎng)懸浮時(shí)間下跟隨燃燒氣體的特性[9-10].因此，針對(duì)障礙物遮擋火的防滅火問(wèn)題，本文開展了細(xì)水霧抑制障礙物遮擋火焰的實(shí)驗(yàn)研究.

在細(xì)水霧抑制障礙物遮擋火焰的研究方面，Chiu等[11]通過(guò)全尺寸風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)房實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了細(xì)水霧能夠有效熄滅障礙物遮擋油池火，但其工況只限于10 MPa 細(xì)水霧工作壓力及兩類障礙物遮擋位置.Liu等[12]開展了細(xì)水霧與障礙物遮擋火相互作用的縮尺度實(shí)體模擬實(shí)驗(yàn).獲取了不同障礙物遮擋情況下的細(xì)水霧滅火臨界壓力條件，分析構(gòu)建了基于遮擋比及臨界火羽流-霧滴動(dòng)量比的細(xì)水霧滅障礙物遮擋火的研判模型.在獲知障礙物遮擋情況及火源尺寸的前提下，通過(guò)研判預(yù)測(cè)公式便可預(yù)估出細(xì)水霧噴霧所需的最低要求.進(jìn)一步為細(xì)水霧在障礙物遮擋的火情下的系統(tǒng)優(yōu)化提供指導(dǎo)建議.

國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者開展了細(xì)水霧抑制或熄滅障礙物遮擋火的模擬研究[13-17]，但大多都側(cè)重于通過(guò)某個(gè)特定工況條件的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究獲取溫度、熱輻射等熱力學(xué)數(shù)據(jù).然而，細(xì)水霧與障礙物遮擋火焰相互作用過(guò)程中的霧滴流場(chǎng)及火焰燃燒區(qū)域內(nèi)羥基自由基濃度等燃燒化學(xué)特性尚未獲取.

依據(jù)Yu 等[18]提出的Froude 數(shù)相似縮比模型，本文搭建起了細(xì)水霧抑制障礙物遮擋甲烷氣體池火的1/6 縮尺度實(shí)驗(yàn)平臺(tái).本實(shí)驗(yàn)利用激光誘導(dǎo)羥基自由基(OH-PLIF)及PIV 測(cè)量技術(shù)獲取了在細(xì)水霧施加下羥基自由基火焰結(jié)構(gòu)、羥基自由基濃度的分布特征及在障礙物附近區(qū)域內(nèi)的霧滴流場(chǎng).此外，建立了基于幾何遮擋的最大有效霧量比的定量參數(shù)，以表征障礙物對(duì)細(xì)水霧噴霧及火焰的遮擋.本文的研究目的是獲取在不同遮擋條件下細(xì)水霧抑制障礙物遮擋火焰過(guò)程中的火焰燃燒化學(xué)特性及霧滴流場(chǎng)特征，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為障礙物遮擋火場(chǎng)景下細(xì)水霧系統(tǒng)的優(yōu)化提供基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)置于5 m×6 m×4 m(長(zhǎng)×寬×高)的空間內(nèi).本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)嚴(yán)格按照Yu 等[18]發(fā)展的縮比關(guān)系進(jìn)行1/6 縮比，一些關(guān)鍵的縮比參數(shù)如表1 所示.通過(guò)1/6 縮比的滅火實(shí)驗(yàn)設(shè)置，相關(guān)滅火結(jié)果也可適用于總水流率、細(xì)水霧霧滴粒徑以及火焰熱釋放速率同步放大的火災(zāi)場(chǎng)景，進(jìn)而擴(kuò)展本實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)實(shí)際尺寸火災(zāi)事故的適用性.

表1 基于Froude數(shù)的縮比關(guān)系Tab.1 Froude-based scaling relationship

本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可劃分為3 類，即滅火測(cè)試系統(tǒng)、OH-PLIF 測(cè)量系統(tǒng)及PIV 測(cè)量系統(tǒng)，如圖1 所示.

圖1 1/6縮尺度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意Fig.1 Schematic diagram of the 1/6 scale experimental platform

1.1 滅火測(cè)試系統(tǒng)

滅火測(cè)試系統(tǒng)主要由氣體燃燒器、細(xì)水霧噴頭、障礙物遮擋裝置及流量控制器組成.本文所使用到的氣體燃燒器由不銹鋼制成，圖2 展示了其構(gòu)造及尺寸.通過(guò)在氣體燃燒器內(nèi)放置直徑為1 mm 的耐高溫石英珠，可對(duì)甲烷氣體進(jìn)行整流以達(dá)到在燃燒器表面均勻分布的作用.甲烷的氣體流量通過(guò)北京七星華創(chuàng)CS200-A 型流量計(jì)(流量規(guī)格：0 L/min～30 L/min甲烷，準(zhǔn)確度：±1.0%；重復(fù)精度：±0.2% F.S)進(jìn)行調(diào)節(jié)及控制.鐵制薄板(厚度為2 mm)被用來(lái)作為障礙物，其大小及安裝高度可人為調(diào)節(jié).細(xì)水霧噴頭被安裝在距燃燒器上表面500 mm 的正上方，通過(guò)壓力霧化的方式在0.25 MPa 細(xì)水霧噴頭工作壓力下可產(chǎn)生54 μm 索特平均直徑(SMD)及68°霧錐角的實(shí)心噴霧.本文所使用到的細(xì)水霧噴頭詳細(xì)霧特性數(shù)據(jù)可查閱Liu 等[19]的研究.

圖2 甲烷氣體池火燃燒器(單位：mm)Fig.2 Methane gas pool fire burner(unit:mm)

1.2 OH-PLIF及PIV測(cè)量系統(tǒng)

在OH-PLIF 測(cè)量系統(tǒng)中，Nd：YAG 激光器可產(chǎn)生532 nm 的激光束(激光能量：250 mJ/pulse；重復(fù)率：10 Hz)，再經(jīng)染料激光器及片光發(fā)散器可使其最終產(chǎn)生283.621 nm 的紫外片光以激發(fā)燃燒場(chǎng)內(nèi)OH系(1，0)波段的Q1(6)能級(jí)線，進(jìn)而誘導(dǎo)火焰中的羥基自由基發(fā)射熒光，其技術(shù)原理如圖3 所示[20-22].此外，ICCD 相機(jī)(縮放因子：3.41 像素/mm；分辨率：1 024×1 024 像素；曝光時(shí)間：8 000.01 μs)需放置在垂直于片光位置以捕獲經(jīng) OH 窄帶濾波片后的308 nm 左右的羥基自由基熒光信號(hào).最后，通過(guò)IRO將微弱的熒光信號(hào)進(jìn)行放大.最終，利用LaVision DaVis 10.0 軟件對(duì)OH-PLIF 圖像進(jìn)行后處理.

圖3 激光誘導(dǎo)熒光原理Fig.3 Schematic diagram of laser induced fluorescence

在PIV 測(cè)量系統(tǒng)中，雙脈沖激光器經(jīng)片光發(fā)散器產(chǎn)生532 nm 的激光束(激光能量：200 mJ/pulse；重復(fù)率：10 Hz)以照亮霧場(chǎng).CCD 相機(jī)(縮放因子：10.20 像素/mm；分辨率：1 600×1 200 像素)需放置在垂直于片光位置以捕獲霧滴的散射光.雙脈沖的間隔時(shí)間設(shè)置成75 μs 以獲取最佳的速度矢量場(chǎng)信息.為提高信噪比和矢量計(jì)算的準(zhǔn)確性，選取了32×32 像素的查問(wèn)域窗口和多通道迭代的交叉關(guān)聯(lián)算法方案，其技術(shù)原理如圖4 所示.CDD 相機(jī)及ICCD 相機(jī)置于垂直于測(cè)量面1 m 處.由于不同激光診斷系統(tǒng)中CCD 相機(jī)在分辨率等性能上的差異，同時(shí)考慮到測(cè)量視場(chǎng)需兼顧細(xì)水霧在障礙物附近的流場(chǎng)及火焰基部的要求，最終確定了如圖5 所示的視場(chǎng)上下重疊的布置方式.

圖4 PIV技術(shù)原理示意Fig.4 Sketch of the principle of PIV technology

圖5 測(cè)量視場(chǎng)設(shè)置示意(單位：mm)Fig.5 Diagram of the measurement field of view setup(unit:mm)

1.3 實(shí)驗(yàn)條件及工況設(shè)置

實(shí)驗(yàn)的初始條件維持在25 ℃及55%相對(duì)濕度的環(huán)境，以保證每次實(shí)驗(yàn)工況的初始條件保持相對(duì)恒定.如圖6 所示(H 為細(xì)水霧噴頭安裝高度；h 為障礙物擋板安裝高度；Db為燃燒器直徑；Dob為障礙物擋板直徑；θs為霧錐角)，在本實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變火焰熱釋放速率、障礙物大小及位置等變量，研究不同火源、障礙物遮擋條件對(duì)細(xì)水霧滅火性能的影響.表2 展示了本文的實(shí)驗(yàn)工況及其結(jié)果.通過(guò)大量預(yù)實(shí)驗(yàn)，選取了30～93.8 mm 范圍的障礙物尺寸，以便很好地研究障礙物大小對(duì)滅火效果的影響.此外，考慮到實(shí)驗(yàn)人員及激光設(shè)備的安全，最大甲烷流量設(shè)置為9 L/min(有障礙物工況).此外，細(xì)水霧噴頭安裝高度H 固定為500 mm 且所有工況細(xì)水霧工作壓力都保持在0.25 MPa.

圖6 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置示意及關(guān)鍵區(qū)域典型細(xì)水霧流場(chǎng)Fig.6 Schematic diagram of the experimental setup and typical water mist flow field

表2 實(shí)驗(yàn)工況Tab.2 Experimental conditions

2 測(cè)量誤差及實(shí)驗(yàn)局限性

在OH-PLIF 方面，最主要的誤差來(lái)自于受激OH自由基分子的碰撞失活導(dǎo)致的碰撞淬滅[19].相關(guān)研究表明，甲烷射流火焰中OH 熒光信號(hào)存在12%的淬火效率差異[23].因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)無(wú)法準(zhǔn)確獲取細(xì)水霧施加過(guò)程中火焰前鋒的準(zhǔn)確溫度數(shù)據(jù)，OH-PLIF 的結(jié)果沒(méi)有根據(jù)Harpooned 模型[24]對(duì)碰撞淬火率進(jìn)行修正.因此，本文使用的OH-PLIF 實(shí)質(zhì)上提供了一種半定量的羥基自由基濃度分布的表征數(shù)據(jù).除去測(cè)量系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)限制導(dǎo)致的誤差外，由于實(shí)驗(yàn)操作導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差也應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行說(shuō)明.盡管每次實(shí)驗(yàn)的初始條件保持一致，但由于細(xì)水霧在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的施加，其局部濕度及溫度無(wú)法嚴(yán)格保持恒定，因此，從嚴(yán)格意義上講，激發(fā)波長(zhǎng)不一定在每個(gè)實(shí)際操作工況下是最佳的.不過(guò)本文測(cè)試分析主要關(guān)注的是有無(wú)障礙物遮擋的影響，并非獲取羥基自由基的絕對(duì)濃度分布，相同工況條件下的半定量比較分析在一定程度上弱化了對(duì)其測(cè)量精度的要求.

在PIV 方面，測(cè)量誤差主要來(lái)自于系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差.大部分的不確定源往往來(lái)自于實(shí)驗(yàn)設(shè)置、PIV 數(shù)據(jù)的處理方式及兩相流的隨機(jī)性等.其中隨機(jī)誤差可以通過(guò)進(jìn)行大量的獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)在統(tǒng)計(jì)采樣上進(jìn)行避免[25].兩相流的隨機(jī)性一般是由氣泡引起的物理和光學(xué)干擾造成的.Husted 等[26]的細(xì)水霧霧場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，在95%的置信度基礎(chǔ)上，由隨機(jī)誤差引起的測(cè)量平均速度的隨機(jī)變化估計(jì)為所有成分的瞬時(shí)速度測(cè)量值的5%.由于本文使用了與前人研究相同的PIV 系統(tǒng)且兩者都采用了壓力霧化的細(xì)水霧噴頭，故本文研究中對(duì)平均速度測(cè)量的總體誤差約估為10%.考慮到重復(fù)實(shí)驗(yàn)速度測(cè)量差異及霧滴在測(cè)量視場(chǎng)的預(yù)估值，10%的總體誤差依舊可以提供相對(duì)準(zhǔn)確的霧滴速度測(cè)量數(shù)據(jù).

由于本文使用的縮比模型未涉及霧滴粒徑分布、霧錐角等更具體的霧特性參數(shù).并且，在實(shí)際工程中，選取嚴(yán)格滿足縮比關(guān)系的細(xì)水霧噴頭極為困難[27].因此，本文通過(guò)縮尺度實(shí)驗(yàn)獲取的結(jié)論在理想條件下可為實(shí)際細(xì)水霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考.

3 結(jié)果及分析

3.1 最大有效霧量比的構(gòu)建

為表征障礙物對(duì)細(xì)水霧空間霧分布的遮擋程度，本文提出基于理想假設(shè)下的最大有效霧量比的參數(shù).基本理想假設(shè)如下：①在固定細(xì)水霧噴頭工作壓力下，細(xì)水霧噴霧的霧錐角應(yīng)保持不變；②細(xì)水霧呈現(xiàn)空間均勻分布規(guī)律；③忽略細(xì)水霧霧滴經(jīng)過(guò)障礙物處的速度方向變化.

圖6 展示了本文的一些關(guān)鍵幾何特征量以及障礙物附近典型的細(xì)水霧流場(chǎng)結(jié)果.可以看出當(dāng)霧滴繞過(guò)障礙物后，霧滴速度方向?qū)嶋H上會(huì)產(chǎn)生一定程度上的變化.基于以上3 個(gè)理想化假定，圖6 中Smist定義為能夠參與到滅火的最大細(xì)水霧面積.Stotal表示為從細(xì)水霧到燃燒器上表面的全場(chǎng)區(qū)域.通過(guò)Smist和Stotal的比值即可用于表征在相同火焰功率下細(xì)水霧的遮擋情況.最大有效霧量比被定義為Smist和Stotal的比值，其表達(dá)式如下：

式中：H 為細(xì)水霧噴頭距燃燒器上表面的垂直高度(本實(shí)驗(yàn)H=500 mm)；h 為障礙物擋板安裝高度；Dob為障礙物擋板直徑；θs為實(shí)心噴霧霧錐角(本實(shí)驗(yàn)θs=68°).基于幾何遮擋假設(shè)條件下的最大有效霧量比可表征障礙物對(duì)細(xì)水霧噴霧遮擋的程度.

整個(gè)實(shí)驗(yàn)工況下的k 值匯總見(jiàn)表2，滅火結(jié)果也驗(yàn)證了k 值在表征遮擋情況的可靠性.其結(jié)果表明：①在1.97 kW 火焰功率(甲烷流量：3 L/min)下，其臨界k 值為0.52，即當(dāng)k＜0.52，細(xì)水霧便無(wú)法有效熄滅障礙物遮擋火；②在3.93 kW 火焰功率(甲烷流量：6 L/min)下，其臨界k 值為0.59，即當(dāng)k＜0.59，細(xì)水霧便無(wú)法有效熄滅障礙物遮擋火；③在5.9 kW 火焰功率(甲烷流量：9 L/min)下，細(xì)水霧則無(wú)法抑制本實(shí)驗(yàn)工況下的障礙物遮擋火.因此，基于理想假設(shè)的k可以很好地表征本節(jié)實(shí)驗(yàn)工況的熄滅行為.應(yīng)該指出的是，在實(shí)際復(fù)雜火災(zāi)場(chǎng)景下，基于k 值的相關(guān)結(jié)論應(yīng)在后續(xù)大尺度實(shí)驗(yàn)下進(jìn)行驗(yàn)證.

3.2 火焰燃燒特征

參照LaVision Tunable LIF 測(cè)量技術(shù)原理[28]及前人測(cè)量方法[29]，為了更好地表征在相同工況下的羥基自由基強(qiáng)度分布，本文定義一個(gè)無(wú)量綱OH-PLIF強(qiáng)度，其表達(dá)式為

式中：Ci為某羥基自由基成像區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)度；Ci,max為羥基自由基成像區(qū)域內(nèi)最大的強(qiáng)度值.

圖7 為未施加細(xì)水霧下h 分別為 125 mm 及375 mm 工況的火焰羥基自由基濃度分布(每張圖片的尺寸為250 mm×150 mm).由于擴(kuò)散火焰本身存在一定程度上的周期性脈動(dòng)[30]，因此，本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在撞擊障礙物擋板后擴(kuò)散火焰也表現(xiàn)出一定的周期性.在第1 幀圖像中(t=100 ms)，熱羽流與冷空氣的不穩(wěn)定導(dǎo)致了火焰在碰撞障礙物時(shí)出現(xiàn)了典型的渦結(jié)構(gòu).從羥基自由基濃度分布來(lái)看，障礙物附近(虛線為障礙物安裝高度位置)的燃燒強(qiáng)度明顯高于火焰基部.在t=100～500 ms 內(nèi)，火焰逐步脫離障礙物而后再次碰撞障礙物擋板，即完成了一個(gè)周期性火焰撞擊行為.如圖7(t=500 ms)所示，火焰結(jié)構(gòu)已經(jīng)恢復(fù)至第1 幀的狀態(tài).

圖7 h 分別為125 mm和375 mm工況下y/Db＝0～4垂直位置上羥基自由基無(wú)量綱強(qiáng)度Fig.7 Hydroxyl radical concentration distribution at vertical positions y/Db＝0—4 for the cases of h＝125 mm、375 mm

當(dāng)繼續(xù)提高甲烷流量，火焰初始動(dòng)量增加，障礙物下方的火焰也開始形成渦流結(jié)構(gòu)，如圖8 所示(每張圖片的尺寸為312.5 mm×150.0 mm).由于火焰與障礙物碰撞更為劇烈，相比于更大的障礙物安裝高度工況(即工況#5-3 及#5-4)，工況#1-1 和#1-2 的火焰結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生改變.當(dāng)火焰觸及到障礙物擋板時(shí)，整個(gè)火焰結(jié)構(gòu)被破壞.隨著甲烷流量的進(jìn)一步增加，火焰高度的增加致使火焰結(jié)構(gòu)從頂部開始坍塌，如圖8 黃色虛線區(qū)域所示.當(dāng)甲烷流量增加到9 L/min時(shí)，劇烈的撞擊導(dǎo)致火焰內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的渦結(jié)構(gòu).

圖8 典型工況下的y/Db＝0～5 垂直位置上羥基自由基無(wú)量綱強(qiáng)度Fig.8 Hydroxyl radical concentration distribution at y/Db＝0—5 vertical positions under typical cases

3.3 細(xì)水霧施加下OH-PLIF 火焰結(jié)構(gòu)及典型流場(chǎng)特性

圖9 展示了部分典型工況下細(xì)水霧施加后火焰燃燒區(qū)域內(nèi)的羥基自由基濃度分布演變過(guò)程(每張圖片的尺寸為312.5 mm×300.0 mm).在所有的火焰抑制工況中，火焰在細(xì)水霧施加后快速地與障礙物脫離(見(jiàn)圖9 工況#3-6)，隨后被迅速壓制在燃燒器上表面.同時(shí)由于霧滴的氣相冷卻作用，相對(duì)應(yīng)的羥基自由基強(qiáng)度大幅度下降.不同于更大k 值的工況，工況#3-6 火焰并沒(méi)有快速抑制并熄滅，而是呈現(xiàn)火焰周期性“起伏”的特點(diǎn)(見(jiàn)圖9 中t=62.4 s).當(dāng)k 值和甲烷流量降低時(shí)，燃燒器底部的整個(gè)火焰羥基自由基結(jié)構(gòu)基本上未受影響.

圖9 典型工況下選取不同時(shí)刻下的y/Db＝0～5 垂直位置上的連續(xù)羥基自由基強(qiáng)度Fig.9 Continuous hydroxyl radical concentration profiles at y/Db＝0—5 vertical positions at different moments for typical cases

圖10(a)展示了未熄滅工況的羥基自由基強(qiáng)度變化趨勢(shì)及其對(duì)應(yīng)的火焰結(jié)構(gòu).雖然OH-PLIF 強(qiáng)度至少下降為初始值的一半，其羥基自由基強(qiáng)度的火焰輪廓變化規(guī)律與圖8 所示一致.在該工況下，經(jīng)快速火焰抑制，火焰行為呈現(xiàn)周期性火焰擾動(dòng)狀態(tài)，其羥基自由基時(shí)間平均強(qiáng)度(t=1～60 s)分別為585(工況#1-1)和633(工況#1-2)，與自由燃燒相比，羥基自由基強(qiáng)度相應(yīng)地降低了65%和69%.在細(xì)水霧噴霧的施加過(guò)程中，羥基自由基強(qiáng)度也在一定程度上呈現(xiàn)出周期性脈動(dòng)趨勢(shì)(如圖10(a)所示).圖10(b)和(c)展示了在工況h 為250.0 mm 及375.0 mm 時(shí)的典型熄滅及未熄滅工況.圖10(b)和(c)內(nèi)的圖中圖為快速熄滅時(shí)間段下的數(shù)據(jù)，以便對(duì)快速熄滅過(guò)程中羥基自由基強(qiáng)度變化進(jìn)行清晰展示.相比未熄滅工況，在k值最小的情況下，熄滅工況下羥基自由基強(qiáng)度迅速降低為零，并且經(jīng)歷了相對(duì)較長(zhǎng)的熄滅過(guò)程.

圖10 典型羥基自由基強(qiáng)度隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.10 Typical hydroxyl radical intensity trends with time

滅火過(guò)程中雖然存在相同的最大細(xì)水霧作用區(qū)域，但作用區(qū)域內(nèi)霧滴的有效數(shù)量可能受不同火焰功率的影響，圖11 所示為甲烷流量對(duì)相互作用流場(chǎng)的影響.圖11 顯示，在施加細(xì)水霧后，障礙物下方的火焰強(qiáng)度和行為存在顯著差異.在未熄滅的情況下，障礙物下方的火焰強(qiáng)度和湍流明顯偏高，這點(diǎn)符合經(jīng)驗(yàn)預(yù)期.在靠近障礙物邊緣的區(qū)域，在工況#3-4 火焰較強(qiáng)的向上浮力羽流的作用下，霧滴運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生了近90°的變化，部分液滴被推離至火源外圍(見(jiàn)圖11 中t=0.6 s 和t=50.1 s).在工況#3-3 中大量霧滴不被火羽流吹走，而是繞過(guò)障礙物進(jìn)行火焰熄滅(見(jiàn)圖11 中t=0.6 s 和t=1.6 s 的圖像).在本實(shí)驗(yàn)中，Smist中液滴的密度沒(méi)有通過(guò)相關(guān)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行定量獲取.因此，在闡述液滴的行為時(shí)，局限于液滴流場(chǎng)和液滴的定性分析上.

圖11 工況#3-3(上方)及#3-4(下方)典型PIV瞬時(shí)原圖像及細(xì)水霧流場(chǎng)矢量圖Fig.11 Typical PIV instantaneous raw images and vector diagrams of the water mist flow field for Case #3-3(top series)and#3-4(bottom series)

圖12 展示了工況#3-3 及工況 #3-4 下在PIV 拍攝視場(chǎng)內(nèi)的液滴最大速度隨細(xì)水霧施加時(shí)間的變化規(guī)律.當(dāng)火焰臨近熄滅時(shí)，液滴速度會(huì)逐步增加，這種液滴速度增加的規(guī)律也驗(yàn)證了在工況#3-3 中向下噴射的細(xì)水霧噴霧主導(dǎo)了整個(gè)霧-焰相互作用過(guò)程.由于在未熄滅工況下火焰向上的熱羽流主導(dǎo)了霧-焰兩相的相互競(jìng)爭(zhēng)，以工況 #3-4 為例，從圖12(b)可以看出同期的液滴最大速度值都會(huì)比成功熄滅工況下更低.從相同細(xì)水霧作用時(shí)間內(nèi)的平均液滴最大速度來(lái)看，工況#3-3 和工況#3-4 的速度值差異達(dá)到了50%.因此，PIV 的結(jié)果揭示了霧-焰相互競(jìng)爭(zhēng)會(huì)直接影響細(xì)水霧抑制障礙物遮擋火焰的實(shí)際效果.在典型工況下，PIV 視場(chǎng)內(nèi)最大的液滴速度值可在一定程度上表征細(xì)水霧向下的動(dòng)量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熄滅瞬間最大霧滴速度可達(dá)12 m/s.

圖12 PIV拍攝視場(chǎng)下液滴最大速度隨細(xì)水霧施加時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.12 PIV data of maximum droplet velocity versus water mist discharging time in the field of view

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)縮尺度實(shí)驗(yàn)獲取了細(xì)水霧抑制障礙物氣體池火過(guò)程中火焰燃燒區(qū)域內(nèi)羥基自由基濃度分布特征、羥基自由基火焰結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律及典型細(xì)水霧流場(chǎng)特性.基于幾何遮擋及理想化假設(shè)，本文提出了用于表征可參與滅火作用的潛在最大噴霧區(qū)域的特征參數(shù)即最大有效霧量比k.通過(guò)改變障礙物安裝高度、大小及火焰熱釋放速率，開展了一系列基于Froude 數(shù)縮比模型的1/6 縮尺度實(shí)驗(yàn).

(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所使用的細(xì)水霧噴頭可在0.25 MPa 工作壓力下成功熄滅最大有效霧量比大于0.59 且火焰功率小于3.93 kW 的火焰.OH-PLIF及PIV 測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了細(xì)水霧滅火中霧-焰相互競(jìng)爭(zhēng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制.在典型工況下，細(xì)水霧霧滴能夠以最大12 m/s 的速度繞過(guò)障礙物直接參與到火焰冷卻等滅火作用中.

(3) 本文獲取的細(xì)水霧與障礙物遮擋火相互作用的燃燒化學(xué)、流場(chǎng)特征等方面的光學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步幫助理解細(xì)水霧抑制障礙物遮擋火焰的滅火機(jī)理，為細(xì)水霧在障礙物遮擋火場(chǎng)景下的系統(tǒng)優(yōu)化提供指導(dǎo).