不同参数的细水雾熄灭油池火的数值模拟

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摘要：以细水雾熄灭柴油发电机房柴油火为例建立FDS模型 ，分析了在通风控制类的火灾中不同参数特性的细水雾熄灭油池火的效果，模拟数据表明，对于特定环境下的火灾，细水雾的灭火效果取决于细水雾的特性参数，并且存在能够高效灭火的最佳参数。

关键词：细水雾、数值模拟、FDS、油池火

1 引言

细水雾灭火技术因其高效的灭火效能、低廉的价格和环境友好性等优点受到越来越广泛的关注和应用，然而现在市场上的细水雾喷头种类繁多，而且现行规范也只是笼统的规定了应用场所的喷雾强度和流量特性系数等一些参数，缺乏严密的科学性[1][2]。本文应用数值模拟的方法，以细水雾扑灭柴油发电机房柴油火为例，为细水雾灭火系统在特定应用场所的设计参数的确定提出了一种实用的方法。

目前对火灾的数值模拟主要分为区域模拟和场模拟。笔者采用的是美国国家标准技术局（NIST）开发的火灾动力学软件FDS，对受限空间细水雾扑灭油池火进行了模拟，分析了不同参数细水雾的灭火效果。

2模型建立

模型采用FDS5.0，如图1所示。计算区域为3m×3m×3m的立方体小室，网格尺寸为30×30×30，顶部角落设置一个0.4m×0.4m的开口，底部中心设置0.6m×0.6m×0.2m的油池火源，柴油用钢制容器盛放，在火源正上方高度0.2m，0.5m，1.0m，1.5m，2.0m和2.5m处分别设置热电偶，同时在火源左侧设置三个氧气与一氧化碳浓度的测点，火源正上方2.8m即顶棚下0.2m处设置细水雾喷头。

3无细水雾作用下的火灾分析

为了比较有无细水雾时火灾发展的区别，首先模拟无细水雾作用下的燃烧，显然模型中的火灾属于通风控制的燃烧类型。从图2中可以看出，随着燃烧的进行，室内温度在初始阶段快速上升，继而在火灾发展阶段温度相对缓慢上升，最后熄灭，温度回降。从图3中分析上述过程可知整个过程中起主导作用的是氧气含量，当氧气量达到临界氧浓度约12%时，火灾自动熄灭。燃烧持续时间为140秒，火焰最高温度超过1000℃，烟气层温度达800℃。

细水雾对于氧气具有稀释和置换作用，雾滴受热蒸发后，体积将膨胀一千倍以上，若细水雾进入火焰区后蒸发，大量的水蒸气会大大降低氧气浓度，并影响火焰对空气的卷吸作用，达到快速灭火的目的。

4雾滴直径对细水雾灭火的影响

细水雾喷头的参数见表4.1，细水雾在着火15s后开始动作。图4比较了在不同雾滴直径的细水雾作用下火源中心上方0.3m处的温度随时间的变化，图中表明100μm的雾滴直径灭火效果明显优于其他直径细水雾的灭火效果，启动后15s即可扑灭油池火，50μm、200μm、300μm雾滴直径的细水雾均有一定的降温效果和灭火效果，启动后100s火被扑灭，而400μm与500μm的细水雾几乎不具有灭火能力，只起到了一定的降温冷却烟气的作用；图5比较了火源附近氧气浓度的变化，50μm的细水雾最终的隔氧效果最好，能将氧浓度降低至10%，其他直径的细水雾可降至11%-12%。

研究表明细水雾的灭火机理主要包括三大因素：高效吸热、隔氧窒息、阻隔热辐射[3]。三种因素综合决定了细水雾的灭火效果，从模拟数据可知，并非雾滴直径越小灭火效果越好，存在一个适中的最佳灭火直径。从水蒸气分布云图中可以看出，雾滴直径为50μm时，雾滴的蒸发吸热效率最高，但是雾滴动量也相应最小，在高温热烟气的阻隔下难以进入火焰内部，蒸发的水蒸气大部分位于烟气层内，难以对火焰附近的环境起到降温或者隔绝氧气的作用，如图6所示，水蒸气集中分布在喷头附近，浓度达18%，越靠近火焰中心浓度越低，从18%降至6%；100μm的雾滴直径同样具有良好的蒸发吸热性能，并且具有足够大的动量穿过烟气层进入火焰内部，达到隔绝氧气的效果，熄灭火灾，如图7所示，火焰内部水蒸气浓度达到12%，为50mm雾滴的两倍；200μm的雾滴动量较大，足够穿过烟气层和火羽，但是其蒸发效率明显低于50mm及100mm的雾滴，火焰内部水蒸气浓度仅为4%。由上述分析可知，细水雾的隔氧窒息效果取决于两个因素，一是雾滴的蒸发效率，二是雾滴穿透烟气层及火羽到达火焰内部的能力，二者缺一不可。

5喷头流量对细水雾灭火的影响

从图9中可以看出，喷雾流量越大，灭火效果越好，大于3L/min的细水雾都能够有效灭火，低于这个流量的细水雾灭火性能较差。流量为3L/min以上时，25s左右火焰上方0.3m处的温度降至100℃以下，100s内火源附近氧含量降至12%，火焰完全熄灭。流量从1L/min增加到3L/min的过程中，灭火性能明显提高，但是再增大流量，冷却降温效果提高，但是灭火时间没有明显的缩短，考虑到流量增大会造成严重的水渍污染、增加用水量、威胁电气设备的安全等问题。因此，根据环境因素不同应当选择最适当的设计流量，此模型中，扑灭室内油池火的最佳喷头流量为3L/min。

6雾滴速度对细水雾灭火的影响

假设细水雾的动量大小很大程度上影响着其灭火性能，则研究雾滴速度对细水雾灭火性能的影响是十分必要的。由于细水雾喷头种类繁多，产生的雾滴速度分布不一，本文选取了10m/s至80m/s中的五个速度值测试其灭火性能，详细参数如表6.1所示。

不同雾滴速度下火源正上方0.3m处的温度变化如图10所示。10m/s初始速度的细水雾作用下60s时温度降至100℃以下；20m/s初始速度的细水雾作用下110s时温度降至100℃以下；40m/s、60m/s和80m/s初始速度的细水雾作用下30s左右时温度降至100℃以下，由于计算误差，可以认为时间基本相同。火源附近的氧气浓度如图10所示，不同速度的雾滴作用下氧浓度降至12%的时间分别为100s、110s、80s、75s、70s。

由模拟数据可知，雾滴初始速度的大小对细水雾的灭火效果影响不是很大，考虑到雾滴速度越大，需要的生产工艺越复杂，而且对喷头的损耗越快，综合灭火效果和工程实际取40m/s左右的雾滴速度为宜。

7结论与建议

（1） 在通风控制的燃烧中，燃烧区域温度较高，细水雾主要通过蒸发稀释氧气浓度的机理灭火，火焰熄灭后迅速降低室内温度，防止回燃。因此影响细水雾灭火的关键在于水蒸气降低火焰内部的氧气浓度，细水雾不仅要快速蒸发，而且需要到达火焰内部。

（2） 参数设置合理的细水雾具有很好的灭火效果，模型中最快的灭火速度在15s以内，但是模拟中选取的火源比较单一，对于不同类型的火源需要设置什么样的细水雾参数还有待进一步的研究。

（3） 并非直径越小的细水雾灭火效果越好，直径为50μm时，雾滴蒸发效率虽然很高，但是雾滴无法穿透烟气层及火羽达到火焰内部；100μm的雾滴直径则能达到上述两个要求从而有效灭火；当雾滴直径大于400μm时，几乎没有灭火效果。

（4） 在1L/min至3L/min的喷头流量内，随着流量增加，灭火效果有明显提升，但继续增加喷头流量对灭火效果的提升则不明显，考虑到水渍损失、供水能力等因素，可根据实际情况设置合理的喷头流量。

（5） 液滴速度对细水雾的灭火效果有一定影响，速度较低时并没有明显的规律性，但是当速度高于40m/s时，灭火效果估计相同。

参考文献

[1]郑立刚，余明高，贾海林.标准受限空间内细水雾熄灭油池火的实验和数值模拟[J].中国安全科学学报，2007.

[2]周华，范垣霄，邓东.细水雾灭空间不同位置油池火的数值模拟[J].灭火系统设计，2005.

[3]魏彤彤.细水雾与油池火相互作用的数值模拟[D].大连理工大学，2007.

作者简介：高健，1989年出生，男，江苏，中国人民武装警察部队学院，研究生二队，安全科学与技术专业。