陈爱平，王 超

(1．武警学院 科研部，河北 廊坊 065000； 2．开封市消防支队，河南 开封 475004)

●消防理论研究

细水雾抑制室内轰燃的试验研究

陈爱平1，王 超2

(1．武警学院 科研部，河北 廊坊 065000； 2．开封市消防支队，河南 开封 475004)

为探索细水雾抑制室内轰燃问题，在小规模火灾实验箱内开展了试验研究。针对不同流速(qw)的12种火灾场景，探讨了细水雾对喷出火焰、热烟气层温度及轰燃延迟时间的影响，得到了细水雾抑制轰燃所需临界流速。在此基础上，提出了判定细水雾抑制轰燃效果的指标——轰燃抑制度(IF·C)，找到了IF·C和qw之间的关系，相关研究结果在大规模室内火灾试验中得到了验证。

轰燃；细水雾；热烟气层温度；轰燃抑制度；室内火灾

0 引言

在室内火灾中，轰燃的发生往往会造成严重的人员伤亡和财产损失[1-2]，因此，室内轰燃抑制问题引起了越来越多研究者的兴趣和关注。作为一种新型灭火技术，细水雾系统得到了广泛的应用，针对室内火灾中细水雾的灭火机理和效果，研究者们通过试验探索和数值模拟开展了大量工作[3-6]。细水雾灭火机理主要包括火焰冷却、燃料表面冷却、置换氧气等，但其灭火过程往往是多种机理共同作用的结果，只是对特定火灾场景而言某种灭火机理可能起主导作用。细水雾对轰燃也具有抑制作用，主要是因为它能降低室内火灾的热烟气层温度及其热辐射。部分研究者对细水雾抑制轰燃的问题进行了研究[7-10]，但目前关于这一研究领域的报道尚不多见。本文旨在通过试验探讨细水雾对轰燃抑制的效果，并藉此提出相关判定指标。

1 试验设计

1.1 火灾实验箱及数据检测系统

火灾实验箱以ISO 9705标准实验房间[11]的1/4尺寸规模进行设计，外观尺寸为长1.0 m、宽0.7 m、高0.7 m，内部尺寸分别为0.9 m、0.6 m、0.6 m，如图1所示。在实验箱的一侧面设置观察窗，它由4块高0.3 m、宽0.2 m的耐高温石英玻璃板构成。箱体各侧面均可开启，但关闭后能保证密封良好，并能依据试验需要改变开口大小。

图1 室内火灾实验箱

火灾数据检测系统主要用于检测实验箱内热烟气层的温度。为得到这一温度的平均值，根据一些研究者的建议[12]，在箱内设置了由3排、共计12支传统K型铠装热电偶构成的热电偶组，其中，L2是喷头正下方的热电偶组，L1、L3是位于喷头两侧的热电偶组，如图2所示。试验设定每隔5 s读取并记录一次温度数据。火灾实验箱及数据检测系统更为详细的信息可在笔者的其他文献[13-14]中找到。

图2 热电偶分布图

1.2 细水雾灭火系统

本研究采用气泡雾化细水雾灭火系统，如图3所示。该系统能将少量雾化气体以气泡的方式注入到液体中，使得液体在喷出时形成两相流，气泡膨胀破裂后形成雾滴。尽管该系统水和压缩气体的工作压力均较低，但能产生平均粒径不大于200 μm的I级细水雾[15]。

1.气体储瓶；2.液体储瓶；3、6.压力表；4、5.针阀；7、8.球阀；9.喷头；10.火灾实验箱；11.细水雾入口

需要说明的是，细水雾入口位置对轰燃抑制效果的影响非常复杂，为便于试验研究，本文选择最具代表性的位置(即实验箱顶棚中心位置)作为细水雾入口位置。

1.3 试验条件

采用正方形有机玻璃块作为燃料，边长0.3 m，厚度0.7 cm，均置于地板中央的燃料托盘中。

细水雾喷出压力较高时，流量较大，降温效果较好，能有效抑制轰燃发生；相反，压力降低，流量减小，降温效果降低，此时不但可能无法灭火，甚至可能发生轰燃。Qin等人[3]发现：气泡雾化细水雾作用于0.3 m见方的有机玻璃火时，有效灭火压力在0.8 MPa以上、流量在3.0 L·min-1以上。鉴于此，本研究采用的细水雾工况见表1。

表1 细水雾抑制轰燃的试验压力工况

2 结果及讨论

2.1 细水雾对喷出火焰的影响

在喷出压力足够大时，细水雾能有效灭火，抑制轰燃发生，因而不会出现喷出火焰；当细水雾工作压力和流量减小到不能抑制轰燃发生时，会出现喷出火焰。图4所示为不同细水雾压力下的喷出火焰强弱图像。

图4表明，施加细水雾后，即使发生了轰燃，相对于未施加细水雾的喷出火焰也要减弱许多；细水雾压力增加后，喷出火焰强度随之降低，直到能抑制轰燃，喷出火焰不再出现。图中显示的就是这三种情况：(1)没有施加细水雾，轰燃发生；(2)细水雾喷出压力为0.4 MPa，不足以抑制轰燃；(3)细水雾喷出压力为0.7 MPa，轰燃没有发生。

2.2 细水雾对热烟气层温度的影响

细水雾的灭火作用主要体现在其对热烟气层温度的影响上，图5所示为细水雾抑制轰燃的典型工况温度变化曲线。

由图5可知，随着压力增大，细水雾流量的增加，热烟气层峰值温度降低。在0.7 MPa和0.9 MPa压力下，热烟气层的峰值温度基本不超过450 ℃，没有发生轰燃；在0.2 MPa和0.4 MPa压力下，虽然细水雾对热烟气层有局部降温效果，但随后会有所上升，没有达到抑制轰燃的效果。需要特别指出的是，在0.4 MPa压力下，虽然热烟气层峰值温度没有达到600 ℃，但也发生了轰燃，主要原因是温度上升速率达到了轰燃条件[16]。

(a)0 MPa(发生轰燃)

(b)0.4 MPa(抑制轰燃失败)

(c)0.7 MPa(抑制轰燃成功)

图5 不同细水雾压力下热烟气层温度曲线

2.3 细水雾对轰燃延迟时间的影响

图6所示为轰燃发生的延迟时间与细水雾流量之间的关系。从图6可看出，随着细水雾流量增大，轰燃延迟时间增加；当流量足够大时，轰燃延迟时间为无穷长，可认为其得到抑制。

图6 不同细水雾流量下轰燃延迟时间

2.4 细水雾抑制轰燃的临界流量

根据试验结果，得到12种工况下热烟气层峰值温度及抑制轰燃的情况，见表2。综观表1和表2可知，发生轰燃和未发生轰燃时，细水雾流量界限大致为2.33～2.58 L·min-1；未发生轰燃与火焰被熄灭时，细水雾流量界限大致为3.46～3.58 L·min-1。因此，可初步得出：在本文研究条件下，细水雾抑制轰燃的临界流量为2.33～3.58 L·min-1。

表2 不同流量细水雾抑制轰燃的情况

另外，表2中所列的热烟气层峰值温度(Tgpeak)与表1中所列的细水雾流量(qw)之间存在较好的线性关系，拟合直线为：

3 轰燃抑制度

3.1 轰燃抑制度的概念

上述试验研究结果表明，细水雾对轰燃抑制的效果主要体现在降低热烟气层温度上。以未施加细水雾时的轰燃情况为参考，表3列出了施加不同压力的细水雾后热烟气层峰值温度及其上升速率情况。在表3中，(dT/dt)peak表示热烟气层的峰值温度上升速率；ΔTpeak表示施加细水雾后的热烟气层峰值温度(即Tpeak)与未施加细水雾时峰值温度(即Tpeak·o)的差值；Δ(dT/dt)peak表示施加细水雾后的热烟气层峰值温升速率与未施加细水雾时峰值温升速率的差值。

表3 不同细水雾压力下热烟气层温升速率

从表3可看出，随着细水雾工作压力增加，热烟气层峰值温度降幅增大，细水雾对轰燃的抑制效果最直接地体现在抑制热烟气层温度上。但是温度并不能解释所有的试验结果，如前所述，在0.3～0.4 MPa的细水雾抑制轰燃试验中，尽管峰值温度没有达到600 ℃，仍然发生了轰燃。

为全面描述细水雾对轰燃抑制的效果，需要综合考虑热烟气层温度及其温升速率的变化情况，因此，提出轰燃抑制度的概念作为判定轰燃抑制效果的参量，即：

IF·C值越大，表明轰燃被抑制的程度越高，或所采取的抑制工况越有效。表3中列出了不同细水雾喷出压力工况下轰燃抑制度的值，由此可看出，对于抑制轰燃失败的工况，IF·C均小于1 ℃·s-1。

3.2 轰燃抑制度的临界值

表1和表3中的数据表明，细水雾流量越大，轰燃抑制效果越好；进一步分析发现，二者近似成二次曲线关系，即：

前面提到，轰燃得到抑制的细水雾流量界限为2.33～3.58 L·min-1，将其代入式(3)，可得到轰燃抑制度(IF·C)的范围，即0.82～2.56 ℃·s-1。依据表2中的试验结果，轰燃得到抑制时的轰燃抑制度范围为1.08～2.29 ℃·s-1，则可取轰燃抑制度的范围为1.08～2.56 ℃·s-1。这样取值相对比较保守，但对于轰燃抑制措施选择更有利于安全。

以上分析说明，轰燃抑制度大于1.08 ℃·s-1时，对应的抑制手段能控制轰燃不发生；如果轰燃抑制度不小于2.56 ℃·s-1，则室内火灾燃烧开始衰减，火焰逐渐熄灭。

3.3 轰燃抑制效果的分级

依据轰燃抑制度，可将轰燃抑制效果分为三级，见表4。图7描述了轰燃抑制度与热烟气层温度的关系。

表4 轰燃抑制效果分级

图7 轰燃抑制度与热烟气层温度的关系

根据图7，参照轰燃抑制效果分级，可相应地将热烟气层温度分为三个区域：在I区，热烟气层温度大于550 ℃，此时的轰燃抑制是失效的；在II区，热烟气层温度为370～550 ℃，此时的轰燃抑制是成功的，但无法完全熄灭火焰；在III区，热烟气层温度小于370 ℃，此时不但可抑制轰燃，还可熄灭火焰。从图7还可看出，热烟气层温度越低，施加细水雾抑制轰燃越有效。在火灾发展过程中，热烟气层温度不断上升，因此越早施加细水雾，抑制轰燃的效果越明显。应尽量在热烟气层温度低于370 ℃时施加细水雾；热烟气层温度超过550 ℃后再施加细水雾，抑制作用失效。

3.4 大规模火灾试验验证

大规模火灾实验室为砖混结构，其内部尺寸为长3.0 m、宽3.0 m、高2.8 m，开口大小为宽2.0 m、高1.2 m。燃料为柴油，燃料盘面积0.4 m2，置于地面中央处；细水雾喷头共设置为4个，每个喷头采用的流量为1 L·min-1。

图8所示为大规模火灾试验中测得的热烟气层温度变化曲线。从图中可看出，着火60 s后施加细水雾，热烟气层峰值温度为306 ℃，轰燃得到抑制；450 s时，这一温度接近50 ℃，而后火焰被扑灭。

图8 大规模火灾热烟气层温度变化曲线

根据式(1)和(3)，可得到Tpeak为320 ℃，这与上述测定值(即306 ℃)比较接近；还可得到IF·C为3.11 ℃·s-1，即其大于2.56 ℃·s-1，根据轰燃抑制效果分级，火焰应该熄灭，这与上述实际情况也是吻合的。由此可见，大规模火灾试验结果在一定程度上验证了上述小规模试验研究结果。

4 结论

4.1 细水雾可有效减弱室内火灾喷出火焰，降低热烟气层温度，增加轰燃延迟时间。热烟气层峰值温度(Tpeak)与细水雾流量(qw)的关系可表达为Tgpeak=865.6-136.4qw，抑制轰燃的细水雾流量应大于2.33 L·min-1。

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(责任编辑 马 龙)

Experimental Studies on Controlling Flashover in Enclosure by the Water Mist

CHEN Aiping1, WANG Chao2

(1. Department of Scientific Research, The Armed Police Academy, Langfang, Hebei Province 065000, China; 2. Kaifeng Municipal Fire Brigade, He’nan Province 475004, China)

Experiments were conducted in a small-scale firebox equipped with water mist system and data acquisition one to explore flashover control in enclosure fires by the water mist. Twelve fire scenarios under different operating flow rates (qw) of water mist were experimentally investigated to show the influence of water mist on the extrusive flame, hot gas layer temperature and delay time of flashover; the critical flow rate needed for restraining flashover by the water mist was determined. An indicator (IF·C) that can be used to judge the effectiveness of flashover control by the water mist was proposed, and the critical value ofIF·Cneeded for restraining flashover and the relationship betweenIF·Candqwwas obtained. The relevant results were verified in a full-scale experiment.

flashover; water mist; temperature of hot gas layer; indicator of flashover control; enclosure fire

2017-05-25

陈爱平(1964— )，男，湖北浠水人，教授； 王超(1988— )，男，河南辉县人，工程师。

TK121；D631.6

A

1008-2077(2017)08-0005-05