超細(xì)水霧滅火有效性的模擬實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、針對(duì)電氣設(shè)備場(chǎng)所的消防系統(tǒng)在消防工程方面有著一定的特殊性。過(guò)去，氣體滅火系統(tǒng)如哈龍系列、二氧化碳等常被應(yīng)用于這類場(chǎng)所。然而，氣體滅火系統(tǒng)存在一些缺點(diǎn)：密閉空間內(nèi)，氣體滅火系統(tǒng)的誤動(dòng)作會(huì)威脅到里面人員的生命安全；在緊急情況下的滅火啟動(dòng)，需要人員疏散，影響啟動(dòng)時(shí)間。不少研究人員針對(duì)這類場(chǎng)所開(kāi)展了細(xì)水霧滅火有效性的實(shí)驗(yàn)研究，但是常規(guī)細(xì)水霧也存在以下缺陷：難于熄滅小火、難于熄滅障礙物火、對(duì)于障礙物火，提高細(xì)水霧流量的效果不明顯、對(duì)電氣設(shè)備帶來(lái)水

2、澤危害。常規(guī)細(xì)水霧的這些局限性與重力引起的較高液滴沉降率有關(guān)，液滴沉降將會(huì)降低水霧的濃度，尤其是降低遠(yuǎn)離霧化錐的區(qū)域的水霧濃度。因此，需要一種新型的霧化技術(shù)，可以產(chǎn)生出具有氣體流動(dòng)特性的超細(xì)水霧。前人的研究發(fā)現(xiàn)超聲霧化可以產(chǎn)生粒徑不大于10μm的超細(xì)水霧；這種細(xì)水霧類似于氣體，可以繞過(guò)障礙物而沒(méi)有較大的水霧損失。因此，本文主要研究了超細(xì)水霧的滅火有效性，增強(qiáng)超細(xì)水霧系統(tǒng)滅火有效性的方法和超細(xì)水霧的流動(dòng)特性。
　　 本文的主要工作

3、和貢獻(xiàn)總結(jié)如下：
　　 1)超細(xì)水霧臨界滅火濃度的理論與實(shí)驗(yàn)研究：分別基于極限氧氣濃度和燃燒極限溫度建立了超細(xì)水霧臨界滅火濃度的預(yù)測(cè)模型。通過(guò)對(duì)比分析兩個(gè)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)值，得出了超細(xì)水霧的吸熱作用較氧氣稀釋在熄滅火焰方面潛在的效能更高。然后，在修改的杯型燃燒器中開(kāi)展了超細(xì)水霧的滅火實(shí)驗(yàn)。同一個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)重復(fù)多次以記錄滅火時(shí)間的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。在臨界滅火濃度方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于極限氧氣濃度的預(yù)測(cè)模型吻合較好，而與基于燃燒極限溫度的

4、預(yù)測(cè)模型不吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于燃燒極限溫度預(yù)測(cè)模型不吻合的原因是超細(xì)水霧在火焰附近具有不同于氣體的流動(dòng)特性：a）超細(xì)水霧在火焰附近完全蒸發(fā)，無(wú)法進(jìn)入火焰燃燒的核心區(qū)域；b）只有在蒸發(fā)的水蒸氣在卷吸氣流作用下進(jìn)入火焰，與火焰相互作用。超細(xì)水霧的濃度應(yīng)該高于臨界值才能獲得較為穩(wěn)定的滅火時(shí)間。然而，沒(méi)有必要進(jìn)一步提高超細(xì)水霧的濃度，因?yàn)樵偬岣邼舛葏s無(wú)法顯著提高超細(xì)水霧的滅火有效性。由于更具潛力的滅火機(jī)理無(wú)法發(fā)揮作用，因此超細(xì)水霧的滅火有效性有

5、待提高。合理的增大超細(xì)水霧的粒徑可以提高超細(xì)水霧在火焰周圍的存活時(shí)間，使得大顆粒水霧可能進(jìn)入火焰。使用超細(xì)水霧添加劑可以在超細(xì)水霧完全蒸發(fā)后生產(chǎn)子顆粒，子顆?？梢赃M(jìn)入在卷吸氣流作用下進(jìn)入火焰燃燒核心區(qū)域。
　　 2)含添加劑超細(xì)水霧的滅火有效性研究：基于超聲霧化液滴粒徑分布和液滴在氣流中的受力分析，建立了預(yù)測(cè)超細(xì)水霧有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)的模型。該模型表明超細(xì)水霧的有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)將隨著溶液表面張力的升高而降低，還表明溶液溫度的升高將增加超細(xì)

6、水霧的有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)。接著，開(kāi)展了測(cè)量超細(xì)水霧有效質(zhì)量流率的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析較為吻合，實(shí)驗(yàn)表明增加金屬鹽的濃度將降低超細(xì)水霧的有效質(zhì)量流率，添加表面活性劑可以升高超細(xì)水霧的有效質(zhì)量流率。最后，開(kāi)展了含添加劑超細(xì)水霧的滅火實(shí)驗(yàn)。滅火實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面升高水溫可以提高超細(xì)水霧系統(tǒng)的滅火有效性，這與理論分析非常吻合。滅火實(shí)驗(yàn)還表明，添加少量金屬鹽就可以顯著提高超細(xì)水霧系統(tǒng)的滅火有效性，然而進(jìn)一步提高添加劑濃度的邊際效果卻顯著降低，這是由于表明

7、張力的升高降低了水霧的流率。基于所需的超聲霧化器數(shù)量和添加劑在溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，各添加劑滅火有效性的排序?yàn)椋篕2C204＞K2C03＞KCI＞KHC03＞NaCl＞CH3COONa＞KH2P03＞Urea.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，尿素會(huì)引起火焰的燃燒強(qiáng)化。最后，提出了提高超細(xì)水霧滅火有效性的，多組分添加劑方法，即同時(shí)添加金屬鹽和表面活性劑。
　　 3)超細(xì)水霧與擴(kuò)散火焰相互作用的數(shù)值模擬研究：FDS中基于氧氣濃度的預(yù)測(cè)火焰熄滅的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒荒苡?/p>

8、于確定滅火結(jié)果；由于缺少有效模擬火焰附近顆粒傳輸和蒸發(fā)的模型，缺少有效的火焰熄滅模型。SIMTEC中修改的EDC燃燒模型可以捕捉到火焰的熄滅過(guò)程。但是該模型不能預(yù)測(cè)超細(xì)水霧的臨界滅火濃度。采用有限速率化學(xué)反應(yīng)模型，考慮詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的基于FLUENT的模擬，可以模擬火焰的熄滅過(guò)程，能夠較好的預(yù)測(cè)超細(xì)水霧的臨界滅火濃度?；贔LUENT的模擬研究發(fā)現(xiàn)，超細(xì)水霧滅火的主導(dǎo)機(jī)理是氧氣稀釋，這與實(shí)驗(yàn)吻合較好?；贔LUENT的模擬研究也發(fā)現(xiàn)了

9、NH3和HNCO引起的燃燒強(qiáng)化現(xiàn)象。NH3引起燃燒強(qiáng)化的機(jī)理是：a）NH3+H=NH2+H2，b）NH3+O=NH2+OH;HNCO引起燃燒強(qiáng)化的機(jī)理是：HNCO+O-NCO+OH，b）HNCO+H=NH2+CO，c）HNCO+OH=NCO+H2O.
　　 4)超細(xì)水霧在滅火過(guò)程中的流動(dòng)與傳輸特性研究：采用離散相模型進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)并不能反應(yīng)出超細(xì)水霧在動(dòng)量較低時(shí)的輸運(yùn)和流動(dòng)特性，而采用重氣體模型對(duì)超細(xì)水霧的輸運(yùn)和流動(dòng)特性進(jìn)行模擬