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在喷水灭火和细水雾系统中水滴临界尺寸的评估
摘要：随着以水为基础的灭火系统设计和制造工艺的发展，细水雾系统等更先进的技术在建筑中的应用得到了扩展。本文对细水雾灭火系统和传统的喷水灭火系统的关键灭火机理进行了研究和比较，重点研究了水滴尺寸对灭火机理的影响。应用计算流体力学（CFD）的方法，在甲烷池火灾的中心位置考虑了一个完全通风的防火室。所考虑的灭火系统直接放置在火上。将热电偶和气体探针应用于计算领域，以识别灭火过程的不同阶段，并评估灭火性能。通过对速度场的分析，研究了压制系统的渗透效果。为了进一步了解液滴与火焰的相互作用，还研究了气体分析仪获得的相对湿度和氧浓度数据。研究发现，潜热冷却、容积置换、氧气和燃料的稀释是细水雾系统的主要抑制机制，因为较小的雾滴比较大的雾滴蒸发效率更高。另一方面，对于喷水灭火系统，主要的灭火机理是由水滴从火中提取热量，蒸发效果不如细水雾系统明显。通过对水滴尺寸参数的深入研究，提出了两种系统的最佳运行条件及建议。
关键词：喷头；细水雾；灭火；液滴尺寸；CFD；
1.引言
在过去的两个世纪里，消防喷水装置一直用于商业和住宅建筑，1812年首次被安装在伦敦皇家德鲁里巷剧院（Theatre Royal Drury Lane），后来又被记录为建筑防火规范，优化水基灭火系统，防止财产损失以及降低居民伤亡风险，一直是消防安全界关注的焦点。在公共灭火只使用卤代烷作为灭火剂的背景下，社会对其他灭火方法的需求大大增加。为了提高灭火性能并降低用水量，细水雾系统在近二十年来越来越广泛地应用于消防安全系统领域[1,2]。除此之外，细水雾系统在封闭空间内是非常有效的，在封闭空间内大量的水既不可接近也是不可使用。例如，汽车、飞机或封闭的机器空间[3,4]；都有锂离子电池储能系统，这甚至可能导致二次危险。细水雾系统还包括有其他消防战略优势，如减少回火状况的发生[5,6]。
为了了解一个有效灭火系统的机理，必须分解燃烧过程的关键要素，寻找抑制或遏制火灾发展的方法。从本质上讲，水是通过冷却燃烧表面、冷却燃烧区域和燃烧气体和氧气的体积位移三个主要机制来抑制火灾的。随着燃烧表面温度的降低，化学反应速率和燃料供给速率会降低，从而有助于降低热释放速率和从火焰羽流到表面的热辐射反馈。这也减缓甚至阻止了挥发物的产生，这是抑制固体燃料火灾的主要机制[7]。降低了火焰区的温度，燃烧反应产生的一部分热量在水的加热和蒸发过程中被吸收，因此温度降低到无法再维持火焰的水平。通过蒸发的相变过程，在燃烧环境中产生大量蒸汽水喷雾的干扰也有助于抑制效果，也被称为火焰窒息[8,9]
图1 液滴光谱（从参考文献[8]复制）
表1测试室的模拟设置
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试验室尺寸（m） |
4 4 3 |
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通风孔尺寸（m） |
0:38 |
0:38 |
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油底池尺寸（m） |
1 |
1 |
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热电偶/气体探头 |
在火焰的0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m处放置 |
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火灾放热率（kW） |
200 |
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图2 试验室示意图
尽管用水作为灭火剂的基本思想是直截了当的，但研究人员和工程师仍有许多工作要研究，以便更好地了解喷水装置和细水雾系统的效果、性能及其潜在的灭火机制。人们认识到，喷水灭火系统和细水雾灭火系统的主要灭火机制是不同的，主要是因为它们的水滴大小不同。液滴直径及其光谱图1用对数刻度表示代表性。
图3天花板附近（距中心0.5m）温度随时间的变化
对于典型的自动喷水灭火器，产生的水滴直径会相对较大，大约1毫米，因此液滴将能够吸收更多的热量，因此冷却火焰区域。而对于细水雾系统，通常产生100mu;m左右的小液滴，携带动量以液滴本身的质量计算，将不再足以渗透到火焰区域。然而，对于这些系统来说，通常较高的上游压力，液滴仍然能够穿透火焰区域，蒸发主导的抑制机制可能更为巨大[10]。
表2水雾喷头参数规范
为了研究喷水灭火系统和细水雾灭火系统的不同灭火性能及其设计参数，研究人员进行了大量的实验和仿真研究。在早些年，对喷水装置的研究更多的集中在它们的热响应上[11–13]，而近年来，喷水系统的研究兴趣更多地集中在可能影响其性能的因素上。Lin等人[14] 进行了综合试验，研究了集热板对喷头响应的影响。约翰等人。[15,16]采用相位多普勒干涉测量系统和粒子图像测速系统对喷水灭火系统的喷水行为进行了测量和表征。周和于[17]利用基于激光的阴影成像系统，制作了自己的原型，研究了低压下喷头几何形状对喷雾图形形成的影响。通过实验证明细水雾系统以相对较小的水量能更有效地抑制火灾的发生。因此研究者们正在对细水雾系统的灭火机理进行更多的研究。Kim等人[18]利用细水雾灭火系统进行了水池灭火实验，探讨了细水雾灭火系统的灭火极限，并证明了有效水流量在评估灭火极限时比喷射压力更有用。Liu等人[19] 的实验表明，细水珠对小直径火灾的扑救效果较好。Ferng和Liu[20]认为，在接触火焰之前，液滴的蒸发会在蒸汽周围形成一个蒸汽包，导致氧气置换，从而抑制。但是，如果液滴也被带到火焰区域，并且在火焰内部发生蒸发，那么单独的封闭效应可能就不那么显著，因此蒸发产生的膨胀将更加有效[21]。
图4 粗、中、细网格的温度比较
由于实验的局限性和难度，例如，在调查涉及复杂或大规模几何条件的案件时，进行全面的实验可能是不现实和不可取的。而对于实验来说，有效地获得有用的数据是很困难的。除了实验之外，计算流体力学（CFD）也被广泛认为是火灾安全领域中一个有用而强大的研究工具[22–25]。与实验相比，通过精心设计的模型，CFD模拟可以为研究不同参数提供更多的信息和灵活性[26]。Li等人[27]通过数值模拟证明了蒸汽喷射器在灭火应用中的潜力。Beji等人[28]对液滴喷射速度、粒径分布和喷射角度的影响进行了综合研究。Nam[29]通过稳态模拟，研究了多因素作用下喷头的穿透能力。他认为，在任何给定的顶棚高度下，给定的喷头都存在一个最优的流量，可以在实际流量范围内提供最高的穿透比。为了防止化学反应引起的串通，Nam使用指定的热源来表示火灾，然而，对于灭火研究，液滴之间的相互作用和详细的火灾行为也很重要。除了传统的灭火方案，其中水从上述火灾中应用，S.Vilfayeau等人[30]建立模型来模拟和评估利用底部喷射细水雾抑制线路火灾抑制方法的新见解。由于湍流的性质大涡模拟（LES）在火灾中的起伏变化得到了很好的再现并应用于各种火灾模拟[31]。陈、袁等人利用基于LES的内部CFD代码LESF-3D处理大范围火灾场景，以及发展火灾特征，包括喷雾行为以及详细化学分析的热解模型[32–34]。为了模拟实际的火灾以及真正时间内的灭火行为，另一个基于代码的火灾动力学模拟器（FDS）被研究人员广泛应用在消防工作中[35-38]。
虽然对喷水灭火系统和细水雾灭火系统的研究比较广泛，但对同一火灾场景下的喷水灭火系统和细水雾灭火系统的比较研究很少，因此本研究将利用FDS来模拟灭火行为，在典型的通风隔间火灾中同时使用喷水灭火系统和细水雾系统。为了消除固体可燃物着火过程模拟中通常需要点火器或辅助液体燃料的不可控效应和困难，并降低燃烧产物的不确定性，便于气相分析，因此选择了甲烷池火作为火源。在本案例研究中，将讨论两种系统的主要抑制机制，并针对两种系统提出相应的建议。
2.数值模拟方法
为了模拟雾滴特性，研究喷水灭火系统和细水雾灭火系统的主要灭火机理，本研究采用了公认的CFD程序，即火灾动力学模拟器（FDS）。采用欧拉-拉格朗日方法对液滴与火焰的相互作用进行了数值模拟，得到了各液滴的运动轨迹。在本研究中，两种系统均使用恒定的液滴直径，而不是通常采用的罗逊-拉姆勒分布，以减少由于每种情况下液滴尺寸的变化而造成的复杂性和不确定性。这一假设之所以成为本研究的焦点，主要是因为这两种系统的抑制机制不同，其中最显著的特征是液滴大小。
在灭火过程中，除了直接冷却燃烧表面和周围环境外，蒸发效应（潜热冷却）和液滴引起的燃料热解速率的变化也起着重要作用。这些影响已被考虑在内。在当前模型中。为了清楚起见，这里只描述了选择性方程组，而其他方程组也可以在FDS技术参考指南中找到[39]。
对于液滴的加热和蒸发，液体平衡蒸汽质量分数Yl，局部气相蒸汽质量分数Yg，液滴温度Tp和局部气体温度Tg是运行中的关键参数[40]。蒸发过程中的质量和能量转移过程可以用下面的方程来描述[41]。
式中，mp表示液滴的质量，rho;g表示气体的密度相，V代表控制容积，mg代表控制容积内的气体质量。Aps是液滴，hm为传质系数，cp和cg为比热ca液相和气相的容量，h是液滴和气体，q r是液滴的辐射加热速率，hl是液滴比焓，hv为蒸发潜热。由于水的存在降低了热解速率。由Yu等人开发的模型[42]描述了与水滴使用的关系
式中，Q 0是施加t0时的总放热率，k是取决于所用燃料的常数。为了能够
研究局部火灾区域，Hamins和McGrattan[43]修改了全局wise模型，因此建立了试验区域来复制一个典型的封闭房间尺寸为4mtimes;4mtimes;3m。在测试室的中心位置有一个甲醇燃料盘，而在天花板高度设置了细水雾喷嘴和常规喷水装置。在距地板0.5米处的燃料盘上方配置了四个热电偶和气体探针，通过喷头和细水雾系统的运行来监测温度和气体浓度。
模拟设置的详细信息见表1。试验室的示意图如图2所示。
通过将数值结果与Kim和Ryou[44]的实验结果进行对比，验证了数值结果的正确性，并选择了靠近天花板、距离中心0.5m的类似热电偶对数值结果进行了验证。实验结果在图3中比较了建模和仿真。可以观察到，模拟得到的数据与实验数据吻合得很好，因此认为模拟能够再现这种灭火场景。
图5细水雾系统（左，试验一）和喷水装置（右，试验四）在不同时间实例下的单位体积放热率
细水雾喷嘴的参数参照了刘等人进行的实验[19] 其中，细水雾系统的典型雾滴直径在100-200mu;m范围内。实验中使用的细水雾系统的喷雾角度在60-120mu;m之间。在本研究中，根据实验数据选择了60°喷雾角，因为它提供了一个更为密集的雾滴分布到火灾区域，因此抑制效果更为显著。选择固定喷雾角度的另一个原因是，研究重点是比较两种不同系统的不同抑制机理，而不是喷雾角度的影响。而对于自动喷水系统，参数采用F1独立喷头。假设喷头的水滴直径与其K因子成正比。实验中通过改变喷头导流板上的槽宽测量了直径在1000到2000mu;m之间。在细水雾和喷水灭火系统的实验研究中，广泛观察到了液滴尺寸的变化[45–47]，而罗逊-拉姆勒分布是公认的最佳拟合分布。然而，在本研究中，水雾系统和喷水灭火系统在不同的操作条件下使用固定的典型液滴尺寸来反映典型液滴尺寸的热交换行为（即蒸发）的影响，这代表了两种不同的抑制系统。在液滴尺寸中引入变化可能不能完全代表特定的液滴尺寸，因为某些情况下液滴尺寸的差异是已经很小了，但是其他的不确定性也存在。为了与细水雾的设置保持一致，喷头的喷雾量也被假定为60°，因此重点研究了两种系统中不同水滴大小的影响。试验持续时间为70秒，试验时间的选择取自Liu等人的试验[19] ，在火焰仍然存在的情况下，持续放电30秒（火灾完全发展后）被定义为“不灭火”。给喷水灭火系统更多
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