伍毅;陆林;凤四海;贺元骅
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【摘 要】Flow coefficient of nozzle is one of key parameters of water mist nozzle for design and type selection. It also determines water mist characteristics and accordingly influence the fire-extinguishing ability of water mist di-rectly.In order to investigate the relationship between flow coefficient of nozzle and water mist characteristics,a se-ries of experiments were performed by using multi-nozzle and single nozzle water mist with different flow coefficients (K=1.0,2.5).The spray angle,flux distribution, particle size distribution were measured and compared.The experimental results showed that,with increasing of flow coefficient from 1.0 to 2.5, the characteristics of multi-nozzle and single nozzle water mist were all changed.%喷头流量系数是细水雾系统设计喷头选型的关键设计参数之一,其决定细水雾的雾场特性从而直接影响细水雾系统的灭火性能.为了研究高压细水雾喷头流量系数与雾场特性的关系,构建了喷头及喷嘴雾场特性冷态实验平台,实验测量了两种流量系数的喷头(K=1.0,2.5)及其喷嘴的雾滴粒径分布、雾化锥角、雾场强度等雾场特性参数.实验结果表明系数K从1.0增大至2.5,喷嘴及喷头的雾化锥角、雾滴粒径分布及雾场强度都显著增大.
【期刊名称】《科学技术与工程》
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【年(卷),期】2018(018)001
【总页数】5页(P348-352)
【关键词】高压细水雾;流量系数;雾滴粒径;雾化锥角;雾场强度
【作 者】伍毅;陆林;凤四海;贺元骅
【作者单位】中国民用航空飞行学院民航安全工程学院,广汉618300;中国民用航空飞行学院民航安全工程学院,广汉618300;中国民用航空飞行学院民航安全工程学院,广汉618300;中国民用航空飞行学院民航安全工程学院,广汉618300
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【正文语种】中 文
【中图分类】X932
在中国航空运输跨越式大发展的宏大背景下，航空消防安全面临的航空燃油火灾风险不断增大。当前我国民航机场所采用的灭火技术主要包括：气体、水成膜泡沫、水喷淋等，其中油库、机库及飞机火灾全部采用的是水成膜泡沫灭火装备[1]。机库内部一旦发生火灾启动泡沫灭火系统后淹没机库，对飞机造成腐蚀侵害的同时可能造成安全事故。大量研究表明，细水雾能够高效扑灭油类火灾，相比用水量极大且对系统有一定污损的水成膜泡沫，细水雾具有清洁、成本低、维护方便等优势，并可与火灾自动探测报警系统联动使用[2]。高压单相细水雾由于结构简单、制造工艺成熟、安装操作方便、雾化效果较好等优点而被广泛使用。国外已有细水雾在飞机客舱、货舱及发动机短舱中的应用[3]，细水雾灭火系统替代泡沫灭火系统已成为民航业消防发展的新热点。
大量研究表明，细水雾雾场特性对其灭火效果有重要影响。工程上为了方便喷嘴流量计算，进行不同喷嘴压力流量特性对比，设定一个类似于孔口节流的流量系数，即：
(1)
式(1)中，K为流量系数，无量纲；P为系统工作压力， MPa；q为流量，L/min。系数K是细水雾喷头的重要设计参数之一，单喷嘴及喷头的系数K是考核细水雾喷头工作性能和细水
雾灭火系统设计的重要参考依据[4]。细水雾灭火系统的选型与设计，应综合分析保护对象的火灾危险性及其火灾特性、设计防火目标、保护对象的特征和环境条件以及喷头的喷雾特性等因素确定。GB 50898—2013《细水雾灭火系统技术规范》中针对不同应用场所对喷头的最小流量系数做出了相应规定[5]。
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前人主要研究了工作压力、环境压力、流量、喷头构造对雾场特性的影响，流量系数与雾场特性的关系研究较为匮乏。为此，搭建了单相高压细水雾雾场特性实验平台，利用激光粒度仪、集水法、图像分析法等测量了不同流量系数喷头(喷嘴)所产生雾场的雾滴粒径分布、雾化锥角、雾场强度等特性参数，分析了高压细水雾喷头流量系数与雾场分布的关系，研究了喷头(喷嘴)流量系数对雾场特性的作用规律。
1 实验设计
1.1 喷头与喷嘴
图1 高压细水雾喷头及其喷嘴Fig.1 High-pressure multi-nozzle and single nozzle water mist
高压细水雾系统是指系统工作压力大于3.5 MPa的细水雾灭火系统[5]，其喷头安装于高压水管的末端，启动压力泵后管路内的水携带高压，具有一定压力的水在喷头内部腔室剧烈紊流，从极小的喷孔以一定角度高速喷出后与空气剧烈切割作用从而破碎为细小雾滴，并具有较大动能，从而可以克服热空气阻力，穿透火焰到达燃烧表面[6]。工程应用上，常见的高压细水雾喷头一般由一定数目的喷嘴按照一定形式装配到喷头座上构成，图1为喷头结构。相比单个喷嘴，多喷嘴组合喷头不仅可以有效扩大喷雾的作用面积，又可以增加喷头内部腔室粗糙度，使管路水紊流状态加重而提升雾化效果，进而提升灭火能力[7]。为了研究喷头(喷嘴)流量系数与雾场特性的关系，选用型号为XSW—T1.0/10、XSW—T2.5/10及其组成的单个喷嘴，分别测量了喷头与喷嘴的流量系数。选用喷头的有效灭火直径为3 m，静态动作温度为57 ℃，工作压力为10 MPa，喷嘴孔径为2 mm。
1.2 流量系数测试系统
喷头流量测试装置如图2所示，高压细水雾喷头(喷嘴)和压力表安装在供水管上，额定工作压力保持为10 MPa。开启进水口截止阀，水通过高压泵加压，当压力表显示数值达到额定工作压力时，将集水装置移动至出水口开始集水，细水雾开启持续一段固定时间后，立即
将出水口处截止阀关闭，最后将集水装置去皮称重，可得此喷头流量q，代入式(1)即可得喷头流量系数。
图2 流量测试系统Fig.2 Flow rate measurement system
视频直播系统 高清1.3 雾滴粒径及雾锥角实验系统
图3 雾滴粒径测试系统Fig.3 Water mist particle size measurement system
如图3所示，利用SLA—Ⅲ激光粒度测试仪可测得雾滴粒径参数如SMD、Dv99、Dv90、Dv50、Dv10、D43，其中SMD为索泰尔直径，表示当用该假想粒度的液滴取代实际雾场内的液滴时，液滴的总表面积保持不变，反映了雾场内粒子的平均粒度[7]；其中Dv99、Dv90、Dv50、Dv10四个粒径参数，以Dv99为例，表示所测雾场内粒径小于该值的粒子重量累积百分比为99%，分别表示所测雾场内粒径小于该值的粒子质量累计百分比为99%、90%、50%、10%，反映描述了雾化细度[8]；D43为体积平均粒径，与SMD类似。试验时开启进水口截止阀及高压水泵，在压力表显示数值达到额定工作压力10 MPa，且细水雾处于喷雾稳定状态时，开启激光粒度仪测量雾滴粒径并摄取图像。细水雾定义：在最小设计
工作压力下，距喷嘴1 m处的平面上，测得水雾最粗部分的水微粒直径Dv99不大于1 000 μm[9]。本试验严格按照细水雾定义布置激光粒度仪位置，激光粒度仪产生的激光穿过喷雾的中心，如图4。
实验采用图像处理法[10]测量雾化锥角，为增加测量准确性，后期将图像处理为黑白模式。在雾滴粒径测试实验中，待喷雾稳定后拍摄喷雾图像，后期测量雾化锥角。实验采集的典型喷头(喷嘴)喷雾图像，如图5所示。
图4 喷头位置Fig.4 Position of nozzle
图5 典型喷头和喷嘴喷雾Fig.5 Typical spraying of multi-nozzle and single nozzle water mist
1.4 雾场强度实验系统
针对高压细水雾灭火系统全淹没实际应用场景采用集水法测试雾场强度(图6)。单个喷嘴由于雾化锥角、灭火有效直径小，很少出现在细水雾灭火系统实际应用中，因此不考虑喷嘴雾场强度实验。根据喷头3 m有效灭火直径布置4×4集水盘，集水盘尺寸为36 cm×28 cm×8
cm，集水盘纵向间距为72 cm，横向间距为64 cm，顶点处集水盘位于喷头正下方，喷头布置高度为6.5 m。选取两种不同流量系数喷头，秒表记录喷雾时间5 min，以便收集足够水量，量筒收集测量集水量，除以时间和面积计算出雾场强度，多次实验取其平均值[11]。
图6 雾场强度测试系统Fig.6 Flux distribution measurement system
2 结果与分析
2.1 喷头(喷嘴)流量系数测定
流量测试系统测试及流量系数计算结果如表1所示，可见实验所测流量系数与出厂设计参数较为吻合，为方便作图分析说明，取喷头流量系数的出厂设计参数进行分析。女厕老式沟槽式厕所
表1 流量系数测试结果Table 1 Experimental results of flow coefficient项目测试时间/min测试流量/(L·min-1)流量系数计算值流量系数设计参数喷头11994099410喷头2051236247225喷嘴112490249025喷嘴205246049205
2.2 不同流量系数与雾化锥角的关系
图像处理法测得不同流量系数的喷头和喷嘴雾化锥角结果如表2所示。无论是喷头还是喷嘴，随着流量系数的增大，雾化锥角都随之增大。对于组合喷头来说，流量系数K从1.0增大到2.5，雾化锥角θ从88°增大到95°；对于单个喷嘴来说，流量系数从0.25增大到0.5，雾化锥角θ从25°增大到32°。
表2 雾化锥角测试结果Table 2 Experimental results of spray angle项目喷头流量系数K雾化锥角θ/(°)喷头10882595喷嘴025250532
这可能是因为，根据在工作压力P恒定的情况下，流量系数K增大意味着流量q的增大，从而单位时间喷嘴处喷出的水量增大，而喷嘴孔径不变，即喷出的水速率增大，与空气切割更加剧烈，使得雾化锥角有所增大。除此之外，喷头的结构设计与喷嘴的布置位置也是主要原因。
2.3 不同流量系数与雾场强度的关系
由于喷头采用全淹没式布置，因此雾场分布均匀程度为重要评价指标。由表3可知，喷头流量系数从1.0增大至2.5，雾场强度均值从0.35 L·m-2·min-1增大至0.90 L·m-2·min-1，流量
系数增大至2.5倍，雾场强度均值增大至2.57倍，基本呈现相近的倍数关系。在不同的火灾场景中应根据保护对象的火灾危险性、特性及保护目标选择不同流量系数的喷头布置，避免不必要的浪费及负面影响。
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