巾旧上程热物理学会第十一届学术会议燃烧学编号：0 5 4 1 2 9水雾与非传播固体可燃多孔介质火焰相 互作用的实验研究孔文俊刘星宇张孝谦中凹科学院工程热物理研究所，北京2 7 0 6 信箱北京1 0 0 0 8 0 ，联系电话：0 1 0 6 2 5 6 1 4 3 4 ，E m a i l ：w j k o n g m a i l e t pa cC r l1 、前言水雾灭火是相对于常规的水灭火而言的。常规的水灭火由于用水量大水滴直径大而易导致设备的损坏和不利于节约用水、无法在航空、航天设备中应用，同时一些液体火灾在采用常规水灭火时会导致燃料溢出而不易被扑灭，而采用水雾灭火技术则可以克服上述缺点，与其它气体灭火剂相比，水雾无毒、易获取，渗透、冷却能力强，因此水雾是取代卤代烷灭火剂的理想灭火剂眦1 。正因为这个原因，世界各国在上世纪末对水雾灭火技术进行了大量的理论和实验研究工作。一般来说，水雾灭火的机理是通过水雾气化吸热冷却、水雾蒸发引起的水蒸气所起的隔氧和水雾、水蒸气对辐射热的选择吸收性而降低对火焰区的热反馈实现。但是对于水雾与固体火焰的相互作用的研究还不多，因此，研究细水雾与固体火焰的相互作用，有助于深化对水雾灭火机理的认识，提高细水雾抑制、熄灭火灾的效率，拓宽其应用范围。2 、试验装置与试验方法水雾- 火焰相互作用试验装置如图l 所示。系统由水雾发生系统、燃烧系统和测试系统三部分组成。水雾发生系统包括水泵、电机以及调速装置和喷嘴等：我们第1 步的试验是采用非传播扩散火焰形式，与我们以前的完成的试验类似p ”，N $ N ：L 叮燃介8 5 6质盛装在矩形杯中，杯的四周由耐火保温棉包裹以减少热量损失。本文的试验中采用了两种多孔床层厚度，两种多孔介质粒度( 平均粒径分别为2 9 4 r a m 和13 6 m m ) 来研究床层厚度介质粒度对水雾一火焰相互作用的影响：试验中发现，水雾施加时间对火焰熄灭效果有显著的影响，因此，试验中采用了三种水图1水雾- 火焰相H 作用试验系统示意图雾施加时间，分别在多孔固体燃料燃烧3 0 s ，6 0 s 和9 0 s 后施加水雾，记录火焰温度和床层温度的变化特性以及燃料的质量变化。温度测量中，位置Y 为矩形容器的轴向上沿燃料床的高度方向，其中y = 0 指多孔可燃介质的表面，y = - 1 0 m m ，指燃料床表面下方1 0 m m位置，y = 1 0 r a m 指燃料床表面上方1 0 r a m 位置处的温度分布。3 、试验结果和分析图2 ，图3 分别为燃料厚度为2 0 r a m 和3 0 r a m 时，燃烧3 0 s 后施加水雾时的温度分布。试验中固体介质的粒度为2 9 4 m m ，水雾施加强度为7 3 7 m L m 2 S 。5 0 04 P3 0 0 划 珥2 0 0f o o2 04 n6 0时问，#图2 燃料、r 均粒径为29 4 r a m ，燃料堆积厚度为2 0 m m ，燃烧3 0 s 后施加水雾时，燃料床轴线1 ；同位置处灼温度分布8 5 7一圈3 燃料、卜均粒衽为2 9 4 m m 燃料堆积厚度为3 0 r a m 燃烧3 0 s 后施加水雾时，燃料床轴线卅iJ 耐位置处的温度分布从图2 ，图3 可以看出，燃烧3 0 s 后施加水雾，燃料堆积厚度，对火焰熄灭时间和特性并没有明显的影响，只是温度分布曲线的具体数值有些变化。y = O 时的燃料表面温度随着水雾的施加继续上升，在4 3 s 时达到一个峰值，然后在很短的时间内，随着水雾的施加，燃料表面温度稍微有所下降，随着水雾的施加，表面温度不再降低，反而继续升高，在4 6 s 的位置，燃料表面温度达到最大值，而后温度迅速降低，在】0 s 内温度由峰值温度降低到环境温度。燃料表面上方的燃气温度的变化规律与燃料表面温度的变化规律类似。燃料内部的温度变化相对缓慢，。距燃料表面下方l O m m 处的温度变化表明，水雾施加后，床层温度并没有明显影响，在4 2 s 时，床层温度才开始上升，到4 8 s 时达到一个峰值，该温度峰值也只有1 0 0 0 C ，而后，床层温度受外界水雾灭火效果的影响，开始缓慢下降，但下降的幅度较小。而燃料表面下方2 0 r a m 的床层处，温度几乎没有变化。上述试验结果说明在水雾施加的初始阶段，水雾的作用反而强化了燃烧，这可能由于水雾中携带有富氧离子所至。而后由于水雾施加量继续增大，水雾起到的冷却，隔氧和降低辐射热反馈的作用迅速增大，而迅速扑灭固体火焰。图2 、图3 所示的情形，固体内部的温度变化与燃料堆积厚度并没有明显的关系。这说明固体池火燃烧时问不长时，及时施加水雾能迅速扑灭火灾。图4 为燃料床厚度为2 0 r a m ，燃烧6 0 s 再施加水雾的轴线不同位置在施加水雾前后的温度分布。图5 为燃料床厚度为2 0 m m ，燃烧9 0 s 后再施加水雾，轴线不同位置处在施加水雾前后的温度分布。6 0 0u髓4 0 0 喇2 0 002 04 06 ( 18 01 0 01 2 0时间s8 0 06 0 0P链4 0 0 喇2 0 006 02 08 0时间8图4 燃料1 r 均粒往为29 4 t u r n 燃料堆积厚度为图5 燃料1 r 均籼径为29 4 r a m 燃料堆积厚度为2 ( I m m 燃烧6 0 s 后施加水唠时，燃料床轴线小忙置2 0 r a m 燃烧9 0 s 后施加水嚣时燃料床轴线小州处的温度分布8 5 8忙置处的温J 芝行机从图2 、图4 和图5 可以看出，水雾施加时间，对燃料床层表面温度分布燃料上方燃气温度分布以及燃料床层内的温度分布都有明显的影响。从图中町以看出，燃料床层表面温度分布在燃烧3 0 s 和6 0 s 时，尚未达到稳定值，在水雾施加后，燃料表面温度继续增大，在水雾施加初期，水雾的作用反而强化了燃烧过程，髓着施加的水雾增大，燃料表面温度才迅速降低，直至熄灭。同时，从图2 和图4 也可以看出，燃料表面温度低于床层上方的燃气温度。而当燃烧了9 0 s 后，燃料表面温度在8 0 s 处已经达到了稳定值，随着燃烧的继续，表面温度不再继续上升，而是保持温度几乎不改变。施加水雾后，燃料表面温度变化很小，仍保持原来的温度，直至1 1 2 s 时，温度才开始减小，温度变化很快，几乎在l O s 内，温度由最大值7 4 5 0 C 减小到2 6 。从从图2 、图4 和图5 还可以看出，燃烧3 0 s 和6 0 s 后再喷水雾时，燃料的表面温度低于气相燃烧温度，而燃烧9 0 s后喷水雾时，燃料表面温度大于气相燃烧温度。图5 所示的燃料表面上方的气相燃烧温度变化规律与图2 、图4 相应位置处的温度变化规律一致，但图5 所示的燃料床层温度的变化规律却与图2 、图4 的试验结果不同。从图2 、图4 和图5 可以看出，燃料床层内的温度变化是在水雾施加后，燃料表面和燃料上方气相燃烧温度比较高，固体燃料燃烧产生大量的热量后，床层下方的燃料温度才开始上升。它们的共同特点是床层燃料温度上升幅度较小，燃烧3 0 s 后施加水雾，燃料表面下方1 0 m m 处床层温度上升到4 7o C就由于燃烧已经被水雾抑制而停止上升，温度下降的时间与燃料表面和燃料上方气相温度下降的时间同步。而对于燃烧6 0 s 后才施加水雾的情形，燃料表面下方l O m m 处的床层温度上升到5 3 0 C 后就停止上升而开始下降，此时，床层温度下降并不与表面和气相燃烧温度的下降时间同步，而是在燃料表面温度和气相燃烧温度下降到一定程度时，床层温度才开始下降，这可能是由于燃烧时间增长导致的热惯性，使得床层温度的降低滞后。对于燃烧9 0 s 后才施加水雾的情形，从图5 清楚地看出，床层温度变化的滞后非常明显，因为燃烧时间越长，燃烧热向下传递越多，床层温度越高。在燃烧9 0 s 后才施加水雾，燃料表面下方I O m m 处的温度1 3 6 0 C 才开始下降。但是一个有趣的现象是，图5所示的床层温度并不象图2 和图4 所示的床层温度那样随着水雾的施加而逐渐熄灭。试验中当表面可见火焰熄灭后即停止了水雾施加，对于固体燃料燃烧时间较短的图2 和图8 5 94 的情形，床层内部的温度也逐渐趋于室温，即内部的闷烧已经停止。但是对于燃烧时间较长的情形，图6 的结果明显表明，当水雾施加停止后，床层燃料温度不再r 降，而是继续升高，达到2 6 7 0 C 才迅速熄灭。这是因为，床层燃料堆积较少时，燃烧产生的热向F 传递，使得固体床层的温度较高，由于细水雾的穿透能力有限，4 它只是通过蒸发冷却、蒸汽隔氧和水雾、蒸汽的辐射热选择吸收性降低火焰区的辐射重吸收而到达灭火的目的。一旦燃料表面明火熄灭后，水雾喷洒即停止了，这样，燃料内部的高温区并没有得到有效冷却，反而由于燃料堆积厚度小，水雾喷洒引起的扩散效应的增强，使得外界的氧气能够渗透到燃料床层中，而使得在水雾喷洒停止后床层燃料继续闷烧。但是由于燃料燃烧9 0 s 后即施加水雾，床层的温度还没有高于能够支持稳定闷烧波传播的极限温度，因此，闷烧并不能稳定存在，而是在温度升高到一定程度后，床层闷烧自动停止，床层温度迅速降低，整个固体池火才停止。因此，试验中，在水雾停止施加后，燃料表面虽然已经没有了明火，但床层内的闷烧依然存在，闷烧产生大量的白烟并伴随其它有害气体，对人员的健康构成威胁。可以想象，如果燃烧时间继续增长，水雾在扑灭燃料表面明火后即刻停止的话，床层中温度可能高于稳定闷烧传播的温度，闷烧可能会稳定传播，甚至转化为明火而引发二次火灾。因此要在着火后的早期阶段立即实施。图2 和图3 的试验结果已经表明如果燃料燃烧时间较短即刻施加水雾，床层的厚度对水雾灭火影响较小，但是如果燃烧时间较长，床层厚度对水雾灭火性能是有影响的。图6 为燃料厚度为3 0 r a m ，燃烧9 0 s 后施加水雾时，轴线不同位置的温度分布。比较图5 和图6 的试验结果，可以发现，燃料表面的温度分布以及燃料床层中的温度分布都是不一样的。在燃料对于固体火灾，采用水雾灭火技术一定6 0 0。4 0 0越 嚼2 0 0oo4 08 01 2 01 6 0时间s图6 燃料平均粒径为29 4 r a m 燃料堆积厚度为3 0 r a m ，燃烧9 0 s 后施加水嚣时，燃料床轴线小 f 司f i 置处的温度分布8 6 0厚度为3 0 r a m 时，在燃烧9 0 s 后施加水雾时，燃料表面温度并没有达到稳定，在施加水雾后的一段时阃内，由于水雾施加而携带的氧气反而强化r 燃烧，使得燃料表面温度继续增大，增大到一定值后，由于水雾量的增大，冷却、隔氧和辐射减弱的程度增大，因此导致燃料表面温度迅速降低，而达到灭火的目的。在燃料厚度增大后，燃烧时间9 0 s后，床层内部的温度随着表层火灾的扑灭而逐渐降低，并没有出现图5 所示的闷烧现象。这可能是由于燃料厚度增大，燃烧耗氧增多，在受限的容器中，蒸发的水雾起到隔氧作用，因此，导致氧量匮乏，使闽烧无法进行。这说明燃料的堆积厚度对于燃料表面温度和燃料床层内的温度的变化有明显的影响。但是在各种堆积厚度和水雾施加时间下，燃料表面上方的气相燃烧温度随着水雾施加的变化规律是一致的。8 0 06 P 鲢 叫2 0 004 0即1 0 0时问t图7 燃料平均粒径为13 6 m m ，燃料堆积厚度为3 0 r a m ，燃烧3 0 s 后施加水劣时，燃料床轴线不同位置处的温度分布8 0 06 0 0u越4 0 0 喇2 0 0O50】0 0l5 02 0 0时间0图8 燃料平均粒径为1 3 6 m m ，燃料堆积厚度为3 0 r a m ，燃烧9 0 s 后施加水雾时，燃料床轴线不耐位置处的温度分布图7 、图8 为燃料平均粒径为1 3 6 r a m 、水雾施加强度为7 3 7 m L m 2 - S 时，不同时刻施加水雾获得的轴线不同位置处的温度分布。比较图3 和图7 、以及图6 和图8 的结果，可以看出，当采用较细