含钾盐添加剂细水雾的灭火实例

为深入了解细水雾与CH4扩散火焰的相互作用过程，对细水雾的灭火过程进行FLUENT 数值模拟，细水雾的运动和蒸发过程的处理采用DPM。模拟的区域与边界条件如图2.10所示。模拟过程中，除改变空气入口处的水蒸气含量外，其他模拟计算的条件与CH4正常燃烧时的一致。

图2.28为不同质量分数的水蒸气条件下，CH4扩散火焰的温度分布。

由图2.28可知，随着水蒸气含量的增加，火焰温度逐渐降低，并且火焰根部离开燃烧杯口的距离逐渐增加，火焰面拉伸率增加。当水蒸气质量分数相对较低时，火焰温度下降明显，火焰形状较为规则，说明此时火焰较为稳定。当水蒸气质量分数逐渐接近最小灭火浓度时，火焰拉伸现象十分明显，并且火焰根部抬离燃烧杯口的距离增加，此时稍微增大H2O 的浓度，火焰都有从燃烧杯口吹熄的危险。采用CH4燃点（923～1 023 K）作为灭火的判据，即当火焰最高温度低于923 K 时认为灭火，则数值模拟得到的H2O 临界灭火浓度为11.2%，与实验测得的最小灭火浓度上限值12.11%差异不大，说明应用本书提出的Cup-burner实验系统得到的数据具有一定的可靠性。

Takahashi 对Cup-burner 火焰的吹熄过程有详细的描述，当携流灭火剂的质量分数（体积分数）接近最小灭火浓度时，不同时刻的动态吹熄过程如图2.29 所示。

图2.28　不同质量分数的水蒸气条件下CH4扩散火焰温度分布数值模拟结果

（a）0%；（b）5%；（c）10%；（d）11.2%

由之前的分析可知，火焰根部起着稳定火焰的作用，如图2.29（a）所示。随着H2O 逐渐达到最小灭火浓度，火焰化学反应速率降低，一个微小的速度波动都会影响到火焰根部的稳定性，由之前的Cup-burner 火焰结构可知，在火焰根部以外临近燃烧杯口的位置附近会形成旋涡，增加了进入火焰根部的气体流速，因此将火焰根部抬离燃烧杯口，如图2.29（b）所示。随着火焰根部抬离燃烧杯口的距离增加，CH4和空气的混合空间逐渐增加，此时，浮力羽流区产生的大量的温度较高的热流旋涡向持续火焰区移动，削弱了火焰之外浮力控制的旋涡进入火焰底部的速度，因此，火焰根部振荡并逐步回落到原位置，热流旋涡将燃料和空气混合物推至燃烧杯口位置，如图2.29（c）所示。此时的火焰根部的持续反应区结构包括了间歇火焰区和浮力羽流区热反馈形成的热流旋涡和火焰外部的浮力旋涡，类似于射流扩散火焰的混合层结构。随着火焰根部逐渐消耗混合层中的两种旋涡，火焰根部逐渐回落到燃烧杯口，如图2.29（d）所示。因此，Cup-burner火焰的振荡频率与浮力诱发旋涡的形成有关，反映在火焰中就是闪烁频率。随着H2O 的浓度逐渐接近最小灭火浓度，火焰根部变得越来越弱，以至于抬离燃烧杯口后不能再次回落，出现吹熄现象。

图2.29　Cup-burner扩散火焰动态吹熄过程

图2.30为5%质量分数水蒸气作用下的数值模拟结果。(https://www.xing528.com)

图2.30　CH4扩散火焰在5%质量分数H2O作用下的数值模拟结果

（a）OH摩尔浓度；（b）O摩尔浓度；（c）H摩尔浓度；（d）H2O摩尔浓度

由图2.30（a）～（d）可知，与没有受到H2O 作用的火焰相比，靠近火焰中心位置的反应区域首先中断，这是由于细水雾在空气的卷吸作用下进入火焰根部并吸热，使温度降低至发生反应所需的温度以下。但火焰仍可以稳定存在于燃烧杯口，这是由于火焰根部虽然受到H2O 的抑制作用，但CH4与空气形成的预混区仍然处于CH4的可燃极限范围之内，能够形成预混火焰，起到稳定火焰的作用。图2.30（c）中的O 自由基分布不均，在远离火焰根部的浓度较大，而接近火焰根部的浓度较小，靠近石英玻璃外罩的地方几乎不存在O 自由基，说明不断有新鲜的空气由产物流出口流回玻璃管内，增加了H2O熄灭火焰的难度。

图2.31为10%质量分数水蒸气作用下的数值模拟结果。

图2.31　CH4扩散火焰在10%质量分数水蒸气作用下的数值模拟结果

（a）OH摩尔浓度；（b）O摩尔浓度；（c）H摩尔浓度；（d）H2O摩尔浓度

由图2.31 可知，此时H2O 的质量分数接近临界质量分数11.2%。由图2.31（a），由于H2O质量分数的进一步增加，火焰顶端的反应区域逐渐消失，反应区域逐渐集中在火焰两侧的位置，这是由于在空气卷吸作用下，越来越多的H2O进入火焰中心区域，将中心区域的CH4带入火焰两侧，使两侧的CH4浓度达到反应浓度，使反应发生在两侧位置并且数值最大。由图2.31（a）和图2.31（b）可知，随着细水雾质量分数的进一步增加，反应区域进一步缩小，火焰两侧的化学反应区域逐渐向上扩散直至消失，对应的实验现象为火焰根部持续收缩并抬离燃烧杯口。当火焰化学反应区域完全消失时，认为火焰熄灭，这是由于火焰根部的预混区不再继续支持燃烧，火焰不能再次回到燃烧杯口而逐步脱离，直至吹熄现象的出现。

另外，由于Cup-burner火焰的熄灭过程为动态吹熄，而实验过程中热电偶的布置相对固定，无法实时测量火焰各部分真实的温度，此外，热电偶的大小相对于火焰面来说不能忽略，热电偶的存在会改变流场，使火焰不稳，出现剧烈的跳动，因此，实验条件下测温是不合适的。通过数值模拟的结果可以弥补实验的不足，所获得的温度结果可以对实际实验场景下的温度提供一定的参考。