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1、http:/ - 1 -细水雾阻隔火焰热辐射作用的模拟研究细水雾阻隔火焰热辐射作用的模拟研究1 丛北华1，蔡志刚2，陈吕义1，廖光煊1 1中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，(230026） 2中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系，(230026） E-mail: 摘摘 要要: 火焰热辐射是火灾中的主要传热方式之一，对火灾的蔓延、人员的安全逃生具有很大的影响。研究表明：雾滴对火焰热辐射有着较强的衰减作用，热辐射衰减是细水雾灭火机理的重要组成部分。 因此利用细水雾阻隔热辐射将具有良好的应用前景， 但目前缺乏系统的研究。 本文从热辐射传递方程和 Mie 散射理论出发， 考虑细水雾雾滴对辐
2、射热的散射和吸收作用，建立了细水雾阻隔火焰热辐射作用的两通量模型，并给出了一种简化算法；建立了相应的小尺度模拟实验平台，对本文的模型进行验证，结果表明：实验测量值与模型计算值合理吻合。在此基础上进一步探讨了火焰温度、细水雾特性参数、雾场厚度等参数对热辐射阻隔效率的影响。 关键字: 关键字: 细水雾，热辐射衰减，两通量模型 1. 引引 言言 火灾发生时，不仅生成高温的气相燃烧产物，对于大多数碳氢燃料而言，有焰燃烧时还会产生高温的碳黑（Soot），它们发出近似同等温度下黑体的热辐射强度，因此对火灾的蔓延和人员的安全逃生具有很大的影响1。 为了防止热辐射危害，工程上通常采用水枪、水幕与水喷淋阻隔火焰
3、热辐射。但是上述方法普遍性能偏低，耗水量大，容易造成水渍危害，因此在计算机房、电话机房、半导体生产车间、图书馆、古建筑等特殊场所的应用受到很大的限制2。 细水雾灭火技术作为哈龙替代技术的一种，以其灭火高效、无环境污染，耗水量小、对保护对象破坏性小等特点，获得了广泛的应用3-5。已有研究表明：细水雾对碳黑火焰，具有很强的热辐射衰减作用， 因此在阻隔热辐射方面具有良好应用前景。 然而细水雾衰减热辐射的机理十分的复杂，人们还未建立起简单实用的工程计算方法6。 本文从辐射传热的基本方程和 Mie 散射理论出发，建立了细水雾衰减热辐射的两通量模型，并给了一种简化计算方法；建立了相应的小尺度模拟实验，对模
4、型进行了验证。在此基础上进一步分析了火焰温度、 细水雾特性参数、 雾场厚度等参数对热辐射阻隔效率的影响。 1 本课题得到高等学校博士点专项科研基金资助项目(No.20020358044), 国家重点基础研究专项经费资助(No.2001CB409600)资助 http:/ - 2 -2. 细水雾衰减热辐射的两通量模型细水雾衰减热辐射的两通量模型 细水雾对热辐射的衰减机理十分的复杂， 包含了不同雾滴粒径、 不同光谱波长范围内的吸收与散射作用。其效果不仅与水滴折射率、消光系数有关，还强烈依赖于火焰辐射波长和水滴的分子吸收谱带。由于强散射作用，Lambert-Beer 定律不再成立7，因此需要建立反映
5、细水雾衰减热辐射机理的新模型。本文中，假定细水雾平均粒径范围为 25m500m；火焰生成较多的碳黑，其辐射能力相当于相同温度下的黑体辐射。根据维恩定律：火焰温度在 1000 K1800 K 时，最大辐射力波长范围为 1.569m2.824m，属于 Mie 散射范围，辐射异向，但大部分能量集中在与入射方向平行的方位上。因此为了简化分析，本文作了如下合理假设： 细水雾形成一单分散相的平面雾场， 雾滴的热辐射散射作用集中于前向和后向，忽略雾场中液滴的蒸发和聚合作用，简化的物理模型如下图 1 所示。根据热辐射传递方程： ()( ) 4140 ,+=dIkIkIkdldIextTextext（1） sc
6、aabsextkkk+= extsca kk= （2） 其中：DQMkextwext23=为总消光系数，为反照率，absk为吸收系数，wM为体积雾 密度（kg m-3），为水的密度，extQ为单个雾滴消光因子，D为雾滴直径。 根据单分散相的假设条件，忽略雾滴的自身辐射发射项的影响，由（1）得到： ( )44dIdIId = +（3） 其中：0cosdlkdext=，0表示入射强度与入射平面法向的夹角。本文中，假设火 焰入射辐射与雾场平面垂直，因此00=。 上述方程（3）可以采用离散坐标方法8进行直接求解，但是计算量很大。根据上文关于辐射散射的方向的假设条件， 即把雾滴对热辐射的非均匀散射吸收作
7、用， 简化为前后两个方向上的辐射力，则有： ()+ =bIIfddI1 （4） ()+ =bIIfddI1 （5） ( )cos2110dPf= fb=1 （6） 其中：+ I为前向光谱辐射力， I为后向光谱辐射力，f为前向散射因子。 将方程（4）、（5）沿着细水雾场的厚度方向进行积分，并代入冷、热边界条件，则可得到通过厚度 L 的辐射光谱透射率为： ( ) ( )()()()111221 1112 0 gggefggfeRfge II+= （7） http:/ - 3 -其中：Lkext=1 ， ()2221bfg= （8） 根据上文碳黑火焰条件，由普朗克定律，温度为 T(K)的理想黑体光谱
8、辐射力为： 112)(52,=KTchTehcE（12mWm） (9) 其中：c为真空中光速 （18109979250. 2ms） ，h为普朗克常数(Js3410626196. 6)，K为波尔兹曼常数(12310380622. 1JK)，为辐射波长(m)。 图 1. 细水雾衰减火焰热辐射的两通量模型 Fig.1 Two-flux model for radiative heat attenuation by water mist 因此穿过厚度为 L 的细水雾场的光谱透射力q为: TEq,= （10） 对上式进行波长积分，得到总透射率和火焰总透射辐射力q为： =0,0dEdqEqTT(11) 因
9、而细水雾阻隔热辐射效率为： =1(12) 3. 简化计算方法简化计算方法 公式（7）（12）构成了细水雾阻隔热辐射两通量模型的基本方程。为了计算阻隔效率，需要知道以下参量值： ( )LI ( )0+ I I + I l 热边界冷边界http:/ - 4 -d= （13） ()nX=12 knY4= （14） 其中iknn=*为雾滴复数折射指数，可采用 Hale 等人的表格数据作线性插值9。对于球形雾滴，由 Mie 理论，雾滴的消光因子、吸收因子及反照率可以表示为10： ( )( )()2cos14sin42XX XXQext+= （15） ()21221Ye YeQYYabs+=（当310k时
10、，0=absQ） （16） extabs QQ=1 （0） （17） 前向散射因子f表征的是雾滴散射热辐射的角度不均匀性，积分表达式非常复杂。本文采线性拟和方法进行计算：当的值在 0.1100 间变化时，f与雾滴的复数折射率*n相对独立，在误差允许的范围内（2%），可以用下列多项式进行拟合11: 2 012N Nfaaaa=+ (17) 上式中系数如表 1 所示： 表 1 函数f多项式拟合参数11 Tab.1 Fitting coefficients for function f 参数 77. 1 2077. 1 20 N 2 5 0 Ka （0kN=） 0.5026 0.017 0.1437
11、 0.8825 0.0318 33.910 42.210 65.57910 85.12810 1.0 考虑到：当火焰温度为 1300 K 时，其最大辐射力波长为 1.93m，99%辐射能位于波长 030m， 因此本文实际积分波长范围为 030m； 目标物体的反射率对热辐射衰减作用的影响很小，因此文中假定0=R。 4. 小尺度模拟实验小尺度模拟实验 图 2 为小尺度模拟实验装置示意图。 整个实验在一个mmm233的玻璃房中进行 （图2 中未标出）。两个细水雾喷头居中横向排列，形成矩形细水雾，宽度为 3m，厚度可根据实验要求进行调整，细水雾特性利用激光多普勒 PDA/LDV 系统测量。整个实验空间
12、被细水http:/ - 5 -雾分隔为火源一侧和被保护空间一侧。 油盘与热辐射通量计沿空间中轴线放置， 热电偶树偏离中轴心 0.9m，两侧各布置一个，每个热电偶树竖直排列热电偶 5 只，间隔 30cm，最下面的热电偶距地 50cm 相对位置如图 2 中的俯视图所示。实验油池直径为 42cm，燃料为煤油，实验工况如表 2 所示，每组重复三次，共进行了 24 组实验。 表 2 细水雾衰减热辐射模拟实验工况 Tab.2 The summary of test program 序号 压力 / MPa 水幕厚度 / cmDv50 /m 细水雾通量 / g m-3 A1 A2 A3 A4 0.8 0.8
13、0.8 0.8 10 20 30 40 266 266 266 266 280 280 280 280 B1 B2 B3 B4 0.4 0.6 0.8 1.0 40 40 40 40 392 302 266 167 162 213 280 331 图 2 细水雾衰减热辐射模拟实验示意图 Fig.2 Schematic view of the experimental set-up 5. 结果与分析结果与分析 5.1 模拟实验结果与模型验证 模拟实验结果与模型验证 图 3、4 给出了小尺度实验测量的典型结果。其中图 3 表示了位于被保护空间一侧的热辐射通量计测得的不同厚度下热辐射量变化， 图 4
14、 表示了喷头工作压力对热辐射通量变化的影响。从图中可以看出，热辐射通量在施加细水雾后 5s 内迅速衰减，水雾越厚，被保护空间内接受到的热辐射通量越小， 并且衰减的程度在雾场厚度较小时十分明显， 但是随着水雾http:/ - 6 -厚度的增加，边际效果越来越小，即细水雾对辐射热的衰减随厚度呈非线性变化。同时根据热电偶测得的温度变化曲线， 厚度增加也有利于降低被保护空间的平均温度， 使之更为安全。喷头压力对细水雾阻隔热辐射效果的影响，相对比较复杂，因为提高细水雾喷头压力，不仅使得细水雾流量增大， 同时水滴粒径也将减小， 这两种效应将共同作用， 使得增大喷头压力，降低了被保护空间一侧接受到的热辐射，增强了细水雾的阻隔效果。 60801001201401601800.60.70.80.91.01.1Water mist actuatedNormalized r
