细水雾阻隔火焰热辐射作用的模拟研究

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1、http://www.paper.edu.cn1细水雾阻隔火焰热辐射作用的模拟研究1211丛北华，蔡志刚，陈吕义，廖光煊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:power@mail.ustc.edu.cn摘要: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

2、理论出发，考虑细水雾雾滴对辐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:细水雾，热辐射衰减，两通量模型1.引言火灾发生时，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[1]灾的蔓延和人员的安全逃生具有很大的影响。为了防止热辐射危害，工程

3、上通常采用水枪、水幕与水喷淋阻隔火焰热辐射。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[2]产车间、图书馆、古建筑等特殊场所的应用受到很大的限制。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[3-5]保护对象破坏性小等特点，获得了广泛的应用。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[6]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。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

4、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-1-http://www.paper.edu.cn2.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[7]水滴的分

5、子吸收谱带。由于强散射作用，Lambert-Beer定律不再成立，因此需要建立反映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25μm～500μm；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1000K～1800K时，最大辐射力波长范围为1.569μm～2.824μm，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。

6、根据热辐射传递方程：dIλ()0'()dΩ（1）=−kI+1−ϖkI+ϖkIΩextλextλ,Text∫λdl4π4πkk=k+kscaextabsscaϖ=（2）kext其中：k=3MQ2ρD为总消光系数，ϖ为反照率，k为吸收系数，M为体积雾extwextabsw-3密度（kgm），ρ为水的密度，Q为单个雾滴消光因子，D为雾滴直径。ext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：dIλ'dΩ=−+IIλλϖ∫()Ωdτ4π4π（3）其中：dτ=kdlcosθ，θ表示入射强度与入射平面法向的夹角。本文中，假设火ext00焰入射辐射与

7、雾场平面垂直，因此θ=0。0[8]上述方程（3）可以采用离散坐标方法进行直接求解，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用，简化为前后两个方向上的辐射力，则有：+dIλ+−=()ϖf−1I−ϖbI（4）λλdτ+dIλ()−+=ϖf−1I−ϖbI（5）λλdτ11f=∫P()θdcosθb=1−f（6）20+−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。λλ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：I+()τ2ge−gτ1λ

8、1γ==（7）λI+()