《1 引言》

1 引言

细水雾灭火技术具有无环境污染、灭火迅速、用水量少、对防护对象破坏小、有效冲刷烟气等特点，目前被公认为是卤代烧系列灭火剂的主要替代品。自上世纪80年代开始，世界各国对细水雾灭火技术开展了广泛深入的研究工作，取得了一系列重要成果[1] 。研究表明普通细水雾的灭火机理主要包含5个方面[2]，即气相冷却、表面冷却、隔绝氧气、衰减热辐射、动力学作用。研究人员在没有障碍物的情况下进行了广泛的灭火实验，实验发现对于航空煤油火焰，在细水雾喷射覆盖范围之内可以迅速地熄灭火焰，灭火时间基本小于 10 s。实验证明障碍物的存在对预混火焰或者非预混火焰都有稳定作用。在火灾环境中，障碍物的遮挡使灭火变得更加困难[3] 。传统的水喷淋灭火系统基本无法扑灭障碍物遮挡火焰。某些气体灭火系统可以有效地扑灭障碍物遮挡火焰，但由于多数气体灭火剂破坏环境，对人有毒害、窒息作用，需要预留人员疏散时间，延误最佳灭火时机，因此研究人员正在寻找气体灭火剂的替代技术，细水雾就是很好的选择之一[4~6] 。美国的 NIST 等研究机构进行了细水雾扑救计算机箱内部深位火焰的实验研究[7]，发现在细水雾工作压力低于 1 MPa 的情况下，很难扑灭机箱内部的深位火焰。进一步提高细水雾的灭火性能、扩展其应用范围备受各国的重视[8~14]，细水雾抑制熄灭障碍物火成为当今国际火灾科学前沿的研究热点和难点之一。目前国际上尚未进行高压细水雾灭火系统（压力大于 3 MPa）与障碍物火相互作用的研究工作，因此有必要开展该方面的研究工作。

《2 实验模型及实验工况》

2 实验模型及实验工况

实验是在 8 m × 10 m × 5 m 的全尺寸受限空间内进行的，在受限空间顶部开有一个自然通风窗口和一一个机械排烟窗口。采用 0.85 m × 0.75 m × 0.75 m 的铁制桌子作为障碍物，航空煤油作为燃料，油盘直径为 0.16 m 、深度为 0.01 m，水平放置于地面，位于桌子的下方（见图 1，图 2）。细水雾由恒压供水的7N型压力雾化喷头产生。喷头距离地面分别为 4.5 m 和 2.7 m，细水雾的工作压力为 0~4 MPa。在油盆火焰正上方布置热电偶，沿表面中心线每隔 0.2 m 布置一个热电偶，共 4 个，由数据采集卡采集热电偶的测量数据输人计算机进行处理。实验环境温度为30 °C 。

《图 1》

图 1 实验系统示意图

Fig.1 Schematic view of the experimental system

《图 2》

图 2 障碍物、油盆位置示意图

Fig.2 Schematic view of the barrier and the kerosene plate position

实验工况列于表 1，每种工况进行多次实验取平均测量结果。实验开始时，首先调整好障碍物与油盆的相对位置。接着点燃油池火，经过 20 s 左右的预燃时间，油池达到稳定燃烧阶段后，开始施加细水雾。当火焰熄灭后，关闭供水阀，打开排烟通道排烟，清理实验环境，进行下一实验。在实验中如果灭火所需时间超过 120 s，记录为灭火失败。最后对采集到的实验数据进行处理分析 。

《表 1》

表 1 实验工况

Table 1 The summary of test programs

《3 实验结果与分析》

3 实验结果与分析

《3.1 障碍物在 1 号位置时细水雾灭火有效性评价》

3.1 障碍物在 1 号位置时细水雾灭火有效性评价

由图 3 可以看出工况 1 细水雾只能抑制火焰的燃烧，火焰很难被扑灭。当压力升高时，这种情况也没有得到明显的改善。这主要是因为障碍物完全遮挡了火焰，细水雾不易到达火焰区域，不能直接作用到火焰根部，冷却燃料表面的灭火机制不能充分发挥。从图 4 中可以看出在工况 1 随着细水雾的继续施加，火焰温度有所下降并最终维持在 300 °C 左右。这是因为随着压力的增大笼罩在火焰周围的雾通量明显增加，有效地隔绝氧气并冷却火焰。在工况 2 当细水雾压力增大到 1 MPa 时可以在 105 s 左右的时间熄灭火焰。随着压力的升高，细水雾对火焰的拉伸以及对火焰根部的冲击作用增强，细水雾灭火所需时间亦随之减少。当压力超过 3 MPa 后，再增加压力，灭火时间没有明显减少。由图 3 可以看出，在工况 7 细水雾还是难以快速熄灭火焰。在工况 8 当细水雾工作压力超过 1 MPa 时，可以有效地熄灭油池火。同工况 2 相比，在相同的工作压力下细水雾灭火时间有所减少，这是因为喷头，降低，到达火焰区域的细水雾动量明显增加，细水雾对火焰的冲击作用大大增强，笼罩在桌子周围的细水雾通量也明显增加，提高了细水雾隔绝氧气和降温的效果。图 5 给出了工况8在细水雾工作压力为 3 MPa 时的灭火过程。

《图 3》

图 3 工况 1，2，7，8 的灭火时间与水压之间关系

Fig.3 Relation between extinguishment time and water pressure with program 1，2，7，8

《图 4》

图 4 工况 1，2，7，8 火焰温度变化曲线（压力3 MPa）

Fig.4 Flame temperature curve of program 1，2，7，8（3 MPa）

《图 5》

图 5 工况8灭火过程示意图（压力3 MPa）

Fig.5 Extinguishing process of program 8（3 MPa）

《3.2 障碍物在 2 号位置时细水雾灭火有效性评价》

3.2 障碍物在 2 号位置时细水雾灭火有效性评价

由图 6 可以看出，在工况 3 当压力增大到 1 MPa 时，细水雾可以熄灭火焰，但灭火所需时间较长。从图 7 中可以看出工况 3 在灭火过程中火焰温度随时间明显下降。在工况 4 当细水雾工作压力超过 1 MPa 时，细水雾可以被扑灭，当细水雾工作压力达到 3 MPa 以上时，细水雾灭火时间降低到 40 s 左右，灭火效率随着压力增大明显提高。主要是因为在该位置障碍物没有完全遮挡火焰，细水雾可以大量地进入火焰区域，随着细水雾喷射动量的增加灭火效果得到了显著的提高。从图 6 中可以看出在工况 9 细水雾灭火时间相对于工况 3 有所减少。在工况 10 细水雾灭火时间随着压力的升高大大地减少了，灭火效果明显好于工况 4，当压力达到 3 MPa 时细水雾灭火所需时间大约为 4 s 左右。原因主要有 2 点，一是因为当压力增大后，细水雾的粒径减小，动量增大，从而提高了雾滴的蒸发吸热速率，增强了细水雾穿透火羽流的能力。同时细水雾喷射动量增大之后可以更加有效地冲击火焰根部，限制火焰的发展。二是因为喷头高度降低使得到达：火焰区域的细水雾通量增大，强化了细水雾灭火效果。由此看出火源在部分被遮挡的情况下，当喷头高度降低到 2.7 m 时，增大细水雾的工作压力可以明显地提高灭火效率。这表明喷头距离火源的垂直高度明显的影响灭火效率。图 8 是工况 10 细水雾工作压力为 3 MPa 时的灭火过程。

《图 6》

图 6 工况3，4，9，10的灭火时间与水压之间关系

Fig.6 Relation between extinguishment time and water pressure with program 3，4，9，10

《图 7》

图 7 工况3，4，9，10火焰温度变化曲线压（3MPa）

Fig.7 Flame temperature curve of program3，4，9，10（3 MPa）

《图 8》

图 8 工况 10 灭火过程图片（压力3 MPa）

Fig.8 Extinguishment process of program 10（3 MPa）

《3.3 障碍物在 3 号位置时细水雾灭火有效性评价》

3.3 障碍物在 3 号位置时细水雾灭火有效性评价

由图 9 可以看出工况 5 由于喷头距离油盆的水平距离加大，再加上障碍物的遮挡，使得细水雾很难进人到火焰区域，因而细水雾很难熄灭火焰。随着水压的升高，细水雾对火焰的抑制效果有所提高。从图 10 中可以看出在工况 5 虽然细水雾不能快速熄灭火焰，但能有效地抑制火焰温度，使火焰温度随时间不断下降。工况 6 由于障碍物局部遮挡火焰，并且喷头距离火源的水平距离缩小，灭火情况得到明显的改善，在水压增大到 3 MPa 时可以在 50 s 左右熄灭火焰。工况 11 中障碍物几乎完全遮挡住火源，而且喷头距离火源水平距离较远，细水雾无法大量到达火焰区域，火源很难被扑灭。而在工况 12，当压力增大到 3 MPa 时，细水雾可以快速有效地熄灭火焰，灭火时间在 8 s 左右。由于工况 12 喷头距离火源的水平距离大于工况 10，因此灭火时间稍大于工况 10。图 11 给出了工况 12 细水雾工作压力压力为 3 MPa 时的灭火过程。

《图 9》

图 9 工况 5，6，11，12 的灭火时间与水压之间关系

Fig.9 Relation between extinguishment time and water pressure with program 5，6，11，12

《图 10》

图 10 工况 5，6，11，12 火焰温度变化曲线（压力 3 MPa）

Fig.10 Flame temperature curve of program 5，6，11，12（3 MPa）

《图 11》

图 11 工况 12 灭火过程图片（压力3 MPa）

Fig.11 Extinguishment process of program 12（3 MPa）

《4 结论》

4 结论

通过上述 12 种工况的实验可以发现：对于有障碍物火焰，在完全遮挡的情况下，普通细水雾很难快速有效熄灭火焰；在火焰被局部遮挡的情况下，会有较多的细水雾进人到火焰区域。增大细水雾工作压力可以缩短灭火时间，降低细水雾喷头的高度也会缩短细水雾灭火所需的时间。因此在实际的火灾防治中，应当充分考虑如何布置细水雾喷头的位置以及如何确定系统工作压力。在整个实验中，虽然某些工况下细水雾不能快速熄灭火焰，但可以有效地抑制火焰发展，大大降低火焰温度和火焰高度，控制燃烧的规模。实验结果揭示出细水雾熄灭有障碍油池火的能力主要依赖于 3 个方面：

1）障碍物与火焰的相对位置，决定着火焰被遮挡的程度。

2）细水雾粒子浓度最大处和火焰之间的水平距离以及垂直距离，决定着是否能够有足够的细水雾进人到火焰区域。

3）细水雾喷射动量，主要影响到细水雾对火焰的拉伸以及对火焰根部的冲击能力，也就是所谓的细水雾灭火动力学作用。