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超细水雾灭火有效性的模拟实验研究

作　者: 梁天水
导　师: 廖光煊; 卢兆明
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 超细水雾超声雾化临界灭火浓度极限氧气浓度燃烧极限温度计算流体力学燃烧强化流动特性
分类号: TU998.13
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

针对电气设备场所的消防系统在消防工程方面有着一定的特殊性。过去,气体灭火系统如哈龙系列、二氧化碳等常被应用于这类场所。然而,气体灭火系统存在一些缺点：密闭空间内,气体灭火系统的误动作会威胁到里面人员的生命安全；在紧急情况下的灭火启动,需要人员疏散,影响启动时间。不少研究人员针对这类场所开展了细水雾灭火有效性的实验研究,但是常规细水雾也存在以下缺陷：难于熄灭小火、难于熄灭障碍物火、对于障碍物火,提高细水雾流量的效果不明显、对电气设备带来水泽危害。常规细水雾的这些局限性与重力引起的较高液滴沉降率有关,液滴沉降将会降低水雾的浓度,尤其是降低远离雾化锥的区域的水雾浓度。因此,需要一种新型的雾化技术,可以产生出具有气体流动特性的超细水雾。前人的研究发现超声雾化可以产生粒径不大于10μm的超细水雾；这种细水雾类似于气体,可以绕过障碍物而没有较大的水雾损失。因此,本文主要研究了超细水雾的灭火有效性,增强超细水雾系统灭火有效性的方法和超细水雾的流动特性。本文的主要工作和贡献总结如下：1)超细水雾临界灭火浓度的理论与实验研究：分别基于极限氧气浓度和燃烧极限温度建立了超细水雾临界灭火浓度的预测模型。通过对比分析两个预测模型的预测值,得出了超细水雾的吸热作用较氧气稀释在熄灭火焰方面潜在的效能更高。然后,在修改的杯型燃烧器中开展了超细水雾的灭火实验。同一个工况的实验重复多次以记录灭火时间的平均值和标准差。在临界灭火浓度方面,实验结果与基于极限氧气浓度的预测模型吻合较好,而与基于燃烧极限温度的预测模型不吻合。实验结果与基于燃烧极限温度预测模型不吻合的原因是超细水雾在火焰附近具有不同于气体的流动特性：a)超细水雾在火焰附近完全蒸发,无法进入火焰燃烧的核心区域；b)只有在蒸发的水蒸气在卷吸气流作用下进入火焰,与火焰相互作用。超细水雾的浓度应该高于临界值才能获得较为稳定的灭火时间。然而,没有必要进一步提高超细水雾的浓度,因为再提高浓度却无法显著提高超细水雾的灭火有效性。由于更具潜力的灭火机理无法发挥作用,因此超细水雾的灭火有效性有待提高。合理的增大超细水雾的粒径可以提高超细水雾在火焰周围的存活时间,使得大颗粒水雾可能进入火焰。使用超细水雾添加剂可以在超细水雾完全蒸发后生产子颗粒,子颗粒可以进入在卷吸气流作用下进入火焰燃烧核心区域。2)含添加剂超细水雾的灭火有效性研究：基于超声雾化液滴粒径分布和液滴在气流中的受力分析,建立了预测超细水雾有效质量分数的模型。该模型表明超细水雾的有效质量分数将随着溶液表面张力的升高而降低,还表明溶液温度的升高将增加超细水雾的有效质量分数。接着,开展了测量超细水雾有效质量流率的实验。实验结果与理论分析较为吻合,实验表明增加金属盐的浓度将降低超细水雾的有效质量流率,添加表面活性剂可以升高超细水雾的有效质量流率。最后,开展了含添加剂超细水雾的灭火实验。灭火实验结果表面升高水温可以提高超细水雾系统的灭火有效性,这与理论分析非常吻合。灭火实验还表明,添加少量金属盐就可以显著提高超细水雾系统的灭火有效性,然而进一步提高添加剂浓度的边际效果却显著降低,这是由于表明张力的升高降低了水雾的流率。基于所需的超声雾化器数量和添加剂在溶液中的质量分数,各添加剂灭火有效性的排序为：K2C2O4> K2CO3>KCl>KHCO3>NaCl>CH3COONa>KH2PO3>Urea.实验发现,尿素会引起火焰的燃烧强化。最后,提出了提高超细水雾灭火有效性的,多组分添加剂方法,即同时添加金属盐和表面活性剂。3)超细水雾与扩散火焰相互作用的数值模拟研究：FDS中基于氧气浓度的预测火焰熄灭的经验模型不能用于确定灭火结果；由于缺少有效模拟火焰附近颗粒传输和蒸发的模型,缺少有效的火焰熄灭模型。SIMTEC中修改的EDC燃烧模型可以捕捉到火焰的熄灭过程。但是该模型不能预测超细水雾的临界灭火浓度。采用有限速率化学反应模型,考虑详细化学反应机理的基于FLUENT的模拟,可以模拟火焰的熄灭过程,能够较好的预测超细水雾的临界灭火浓度。基于FLUENT的模拟研究发现,超细水雾灭火的主导机理是氧气稀释,这与实验吻合较好。基于FLUENT的模拟研究也发现了NH3和HNCO引起的燃烧强化现象。NH3引起燃烧强化的机理是：a) NH3+H=NH2+H2,b) NH3+O=NH2+OH; HNCO引起燃烧强化的机理是：HNCO+O=NCO+OH, b) HNCO+H=NH2+CO, c) HNCO+OH=NCO+H2O.4)超细水雾在灭火过程中的流动与传输特性研究：采用离散相模型进行数值模拟时并不能反应出超细水雾在动量较低时的输运和流动特性,而采用重气体模型对超细水雾的输运和流动特性进行模拟预测时则可以得到与实验较为吻合的结果。在受限腔室空间中大尺度火灾更容易被熄灭,这是由于大尺度火源本身就能促进超细水雾在受限空间中的流动和输运。然而在隧道空间中则出现了截然不同的结果,此时大尺度火灾由于其会阻止超细水雾从火源的一侧输运到另一侧,因此将更难被熄灭。障碍物对灭火效果的影响取决于其所在的位置。如果障碍物位于火源和细水雾入口之间,他将削弱超细水雾的灭火效果；如果障碍物位于火源相对于超细水雾的下游部位,它将强化超细水雾的灭火效果。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-11
目录  11-14
插图  14-17
表格  17-18
第一章绪论  18-27
  1.1 研究背景  18-21
  1.2 研究目标  21-22
  1.3 研究方法  22-24
  1.4 论文章节安排  24
  参考文献  24-27
第二章文献综述  27-48
  2.1 消防工程中的常规雾化方法  27-32
    2.1.1 撞击射流喷头  27
    2.1.2 压力式离心喷头  27-28
    2.1.3 两相流喷头  28-29
    2.1.4 超声雾化  29-32
  2.2 超声雾化机理  32-33
  2.3 常规细水雾与火焰相互作用的实验研究  33-36
    2.3.1 细水雾的灭火机理  33-35
    2.3.2 特性灭火场景中的细水雾灭火主导机理  35-36
  2.4 超细水雾与火焰相互作用的实验研究  36-37
  2.5 细水雾灭火过程的数值模拟研究  37-39
  2.6 细水雾添加剂的研究  39-40
  参考文献  40-48
第三章超细水雾临界灭火浓度的理论与实验研究  48-60
  本章术语  48
  3.1 前言  48-49
  3.2 临界灭火浓度的预测模型  49-51
    3.2.1 模型1：基于极限氧气浓度(LOC)  49-50
    3.2.2 模型2：基于燃烧极限温度(CLT)  50-51
  3.3 实验装置  51-53
  3.4 结果与讨论  53-57
  3.5 结论  57
  参考文献  57-60
第四章含添加剂超细水雾系统的灭火有效性研究  60-79
  4.1 引言  60
  4.2 超声波雾化的超细水雾粒径分布  60-61
  4.3 颗粒在气流中的受力分析  61
  4.4 超细水雾有效质量分数与溶液表面张力的关系  61-63
  4.5 溶液表面张力的变化  63-64
  4.6 实验装置  64-66
  4.7 实验结果  66-73
    4.7.1 超声雾化器产生的超细水雾有效质量  66-67
    4.7.2 溶液温度对灭火有效性的影响  67
    4.7.3 添加剂对超细水雾灭火有效性的影响  67-73
  4.8 讨论与分析  73-75
  4.9 结论  75-76
  参考文献  76-79
第五章超细水雾与扩散火焰相互作用的数值模拟研究  79-119
  5.1 引言  79
  5.2 利用FDS的数值模拟研究  79-92
    5.2.1 FDS中的火焰熄灭模型  80-81
    5.2.2 计算区域与模型  81-82
    5.2.3 基于FDS的模拟结果  82-92
  5.3 利用SIMTEC的数值模拟研究  92-101
    5.3.1 模拟区域与模型  93-94
    5.3.2 基于SIMTEC的模拟结果  94-101
  5.4 利用FLUENT的数值模拟研究  101-117
    5.4.1 模拟区域与模型  101-103
    5.4.2 基于FLEUNT的模拟结果与分析  103-117
  5.5 结论  117
  参考文献  117-119
第六章超细水雾在灭火过程中的流动与传输特性研究  119-145
  6.1 引言  119
  6.2 实验设计  119-122
    6.2.1 受限腔室空间模型  119-121
    6.2.2 小尺度隧道空间模型  121-122
  6.3 数值模拟  122-125
    6.3.1 离散相模型(拉格朗日方法)  122-123
    6.3.2 重气体方法(Dense gas approach)  123
    6.3.3 几何模型和网格划分：受限腔室空间  123-124
    6.3.4 几何模型和网格划分：小尺度隧道空间  124-125
  6.4 实验和模拟结果与分析  125-143
    6.4.1 受限腔室空间无火源工况  125-130
    6.4.2 狭长隧道空间无火源工况  130-138
    6.4.3 受限腔室存在火源工况  138-140
    6.4.4 隧道空间有火源情形  140-143
  6.5 结论  143
  参考文献  143-145
第七章结论  145-149
  7.1 工作与总结  145-147
  7.2 主要创新点  147-148
  7.3 本文不足之处与下一步研究展望  148-149
致谢  149-150
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  150

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