基于Cup-burner的超细水雾与火焰相互作用规律研究(2)

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3.3 PSR 模型的误差分析 . 14

4 超细水雾熄灭Cup-burner 火焰机理的研究 . 15

4.1 超细水雾灭火机理的实验研究 15

4.2 超细水雾与正庚烷火焰作用的计算机模拟 . 20

4.3 超细水雾熄灭 Cup-burner火焰机理的讨论 . 26

结论 .. 28

致谢 .. 29

参考文献 30

附录 A 符号声明 34

附录 B 图例目录 36
1 绪论 1.1 背景和意义上世纪中期，Bradidech 和 Rasbash 就对水雾熄灭火焰的机理进行了研究，他们认为水雾熄灭火焰的机理为吸热、隔氧和减少辐射[1-2]。J.R. MAWHINNEY 总结了前人的研究成果，将水雾抑制火焰的机理细分为主要和次要两大方面：主导机理是水雾的吸热、置换氧气和减少热辐射；而次要因素包括水雾对火焰燃烧动力学的影响以及卷吸入火焰的空气和水蒸气对火焰区可燃气的稀释作用[3]。然而，由于受到细水雾相对较高的安装和维护成本的限制以及高效卤代烷灭火剂的影响，从上世纪 80 年代起对于细水雾的研究就逐渐减少。近年来，随着高臭氧消耗潜能值（ODP）的灭火剂逐渐被淘汰，细水雾作为一种清洁环保的灭火剂重新得到了人们的重视。 NFPA 对细水雾的定义为：在喷头的最低设计工作压力下，雾滴的累计体积分布DV0.99 小于 1000μm 的水雾[4]。液体雾化的方式主要包括压力雾化、气体雾化、转盘雾化和声波雾化，源]自{751·~论\文}网·www.751com.cn/ 其中压力雾化是产生细水雾灭火剂的主要方式。通过压力雾化产生的雾滴粒径在50μm到200μm。而通过声波雾化产生的细水雾粒径一般在50μm以下，因此被称为超细水雾。声波雾化的常用方式是利用陶瓷换能片产生超声波将水击碎，但此方法产生的雾量有限且动量低，在灭火过程中难以穿透火焰面，实际的灭火效率不高。近年来，随着航天和航海技术的发展，对清洁、环保、高效灭火剂的需求日益迫切。美国的海军实验室、美国国家航天航空局流体和燃烧空间探索研究中心和美国国家标准技术局都对超细水雾在灭火中的实际应用展开了研究。相比于普通细水雾，超声波雾化产生的超细水雾可以在全淹没实验中绕开障碍物，表现出良好的扩散性[5-7]。当超细水雾粒径与火焰热辐射波长接近时（通常粒径在 1～10μm），超细水雾雾滴能够最有效地分散和吸收热辐射[8]。除此之外，由于超细水雾受到的重力很小，因此可以长时间悬停在空中，水渍损失小，适用于扑救精密仪器和电子设备等火灾[9]。相关的研究人员为了解决普通超声波雾化装置雾化效率低的缺点，研制了新的超细水雾提取和输运方法[10-11],使超细水雾在实际灭火中的应用成为可能。杯式燃烧器被广泛应用于测量灭火剂熄灭火焰的最低灭火浓度。由于杯式燃烧器中的火焰与现实中的火焰有许多相似之处——非预混、火焰振荡等，因此对于灭火剂熄灭杯式燃烧器中火焰的机理的分析有助于揭示实际灭火过程中灭火剂熄灭火焰的机理，提高灭火剂的灭火效率。
1.2 国内外研究现状 1.2.1 超细水雾最低灭火浓度对于超细水雾灭火浓度的研究，根据不同的研究目的，各研究人员采用了灭火剂与火焰不同的作用方式：1）灭火剂全局释放熄灭火焰；2）灭火剂局部释放熄灭火焰；3）灭火剂与对流扩散火焰作用；4）灭火剂与同轴扩散火焰作用。对于全局释放方式，Adiga 等人在 28cm3的空间内研究了超细水雾熄灭热释放功率为 120KW 的正庚烷油池火的规律，他们发现在 1L/min 的雾化量下采用多相 Euler-Euler 方法所模拟的超细水雾灭火时间比采用离散相模型（DPM）所预测的时间更准确[12]。对于局部释放方式Ananth 等人发现在 84cm/s 的恒定空气风速下，随着雾滴直径从 6μm 增加到 40μm，水雾的灭火浓度（占载气流的质量分数）从 9.5%下降到 5.5%；当雾滴直径进一步升高（40μm 到 100μm），灭火浓度从 5.5 %下降到 13.5%。当空气流速增加到 170cm/s时，计算模拟结果表明灭火浓度与粒径大小的相关性较小[13]。对于对冲火焰，Zegers等人利用粒径大小从 5μm 到 50μm 不等的水雾研究了其熄灭对流扩散丙烷火焰的规律，他们发现当粒径在 14μm 和 30μm 之间时灭火浓度保持恒定，之后随着粒径从30μm 上升到 42μm，灭火浓度逐渐上升[14]。Fumiaki 等人在分别对超细水雾与甲烷和PMMA 火焰作用规律进行研究后发现了类似的平原区[15]。但是，在超细水雾熄灭同轴射流扩散火焰的最低浓度方面，相关的研究文献较少。杯式燃烧器中燃料气与氧化剂同轴射流，通过测量火焰熄灭时灭火剂在载气中的浓度来确定灭火剂对于特定火焰的最低灭火浓度。 Shilling 等人研究了含不同类型金属卤化物的超细水雾熄灭杯式燃烧器中正庚烷火焰的规律，他们发现无添加剂时超细水雾的最低灭火浓度为 14.5%（占载气流的质量分数）[16]。Fisher 等人对超细水雾（体积平均粒径为 6.2μm）熄灭杯式燃烧器中同轴扩散的丙烷火焰的机理进行了实验研究，其研究结果表明当超细水雾占载气总质量的质量分数达到 12.5%时,火焰发生熄灭。通过与氮气灭火的实验结果相比较，他们认为超细水雾在灭火过程中发挥了 66%可利用的焓，其中 27%是由超细水雾蒸发吸热所贡献的[17]。对灭火剂在杯式燃烧器中最低灭火浓度的预测也是火灾研究的一个方面。表 1.1概括了近年来关于杯式燃烧器预测灭火剂最低灭火浓度的相关建模方法。