自动喷水灭火系统是人类至今最为有效的灭火设施^[1], 其灭火机理的研究投入较大, 其机理由喷头热敏元件的技术和机理、喷头喷水布水的技术和机理以及水冷却灭火机理3部分组成。最早的热敏元件为植物纤维绳和橡皮筋等, 其后逐步发展为玻璃球和易熔金属, 并采用响应时间指数 (Response time index, RTI) 来衡量喷头热敏元件的热敏性能。布水的方式决定了水滴的大小、分布及保护面积, 布水经历了外壳有孔眼的中空球、旋转锯齿的轮子和溅水盘等历程, 最后标准化确定为溅水盘, 是喷头的重要组成部分^[1]。自动喷水灭火机理主要是通过水滴蒸发冷却火焰和燃烧产物, 同时水滴能够润湿物品和阻隔热辐射来减缓火灾蔓延的速度, 以实现灭火。

在自动喷水灭火过程中, 具体的冷却灭火机理可从液滴与烟气和火焰的相互作用、液滴的蒸发、辐射热的衰减以及水滴湿润物品等几个方面进行阐述。

自动喷水灭火系统是当今世界上公认的最为有效的灭火设施, 洒水喷头的发展历程就是自动喷水灭火技术的发展。1881年格林尼尔制造了第一只现代意义上的热敏元件洒水喷头, 1891年他引入玻璃球喷头且这种设计思路一直沿用至今, 1953年喷头实现了标准化, 1960年RTI的概念和火灾量热技术的出现促进了住宅喷头和大水滴喷头的发展, 为了应对住宅火灾的挑战, 1981年美国开发了住宅洒水喷头, 1984～1986年期间, 美国研制成功早期抑制快速响应喷头 (Early Suppression Fast Response, ESFR) ^[1,2]。自动喷水灭火系统经过100多年的发展, 目前喷头种类繁多、规格齐全, 基本能满足各种场所的需求, 但仍然有很大的发展空间。

1970年美国开展了喷头及其喷水性能原理的研究, 旨在为新的自动喷水灭火设计提供理论和技术基础, 包括闭式喷头热敏性能的定量分析、喷头启动时间预测和喷头灭火效能影响的评价等^[2]。热敏元件的RTI值越低, 喷头启动越快, 在一定范围内灭火效果更好;喷头的灭火效能与所需水密度 (Required Delivered Density, RDD) 和喷头实际输送到达的喷水密度 (Actual Delivered Density, ADD) 相关, 若喷头的实际洒水密度大于所需洒水密度, 则大量的水能够到达燃烧物表面, 大大降低热释放速率, 达到尽快灭火的目的。这些原理促使自动喷水灭火系统的效果达到最优。

在讨论自动喷水灭火系统的冷却传热性能时, 必须对液滴的粒径大小进行定量测量。液滴粒径越小, 其单位体积水的比表面积越大, 吸热的速率越快。反之液滴粒径越大, 越容易穿过火羽流直接冷却燃料表面和周围物体, 有助于防止火焰的传播。同时液滴的大小也是定义其他参数的基础, 例如在计算液滴的下落轨迹时必须要考虑液滴所受的阻力, 而阻力的大小是与直径的平方成正比。

1960年Herterich等^[3]通过将1L水理想成多个等直径为i的液滴来说明液滴平均直径与喷雾总表面积之间的关系。然而在实际中, 单一化的液滴是十分罕见的, 液滴的尺寸各不相同, 最大液滴与最小液滴直径之比可能达到2个数量级, 这对分析问题产生了极大的不便和不确定性。为了简化分析, 通常引用平均值或代表性的直径, 其标准的平均直径D的通式可表达为式 (1) ^[4]:

式中a、b———系数, 取值取决于所研究的对象;

N_i———对应于粒子直径D_i (m) 的粒子数。

另一种常用的代表性直径是体积中值直径, 即直径小于该直径的液滴质量之和占总质量的一半, 通常用D_V50表示。1994年Chan^[5]运用光学成像探针测量了2种ESFR喷头下方2.85m处的液滴尺寸分布, 研究结果表明总体积分数可以用对数正态分布和Rosin-Rammler分布共同表示:当d≤d_m时, 为log-normal分布, 见式 (2) :

当d>d_m时, 为Rosin-Rammler分布, 见式 (3) :

式中d_m———液滴直径的中性值, 也就是体积中值直径, m;

d———液滴的粒径, m;

x———虚拟变量;

γ、σ———经验常数, 分别为2.4和0.6。

火灾发生时, 从喷头喷出的大量液滴通过对流作用不断地冷却烟气。在量化传热量方面, 1979年Morgan开发了简单的液滴弹道模型, 提出了浮力烟气层与液滴之间传热的初步理论^[6]。2008～2009年Li等^[7,8]通过试验研究了水喷淋对烟气的冷却效果, 提出手动计算冷却烟气效果的等式。

受到水喷淋冷却作用后, 烟气层的温度会大大降低, 烟气层的浮力减小, 同时液滴在烟气层中运动时会与烟气发生动量交换, 液滴对烟气层有向下的拖拽力, 烟气层容易失去稳定性。1977年Bullen^[9]率先对水喷淋作用下的烟气层稳定性进行了分析并建立了相应的数学模型, 认为喷淋覆盖区内液滴的总拖曳力与烟气总浮力之间的比值是烟气层是否失稳的决定因素。2001年Chow等^[10]通过将烟气和空气作为2个准稳态层开发了水喷淋和烟气相互作用的一维模型, 同时计算了喷水作用下烟气特性参数的变化规律并给出了使用喷淋最小化烟气损害的一些物理准则。国内的研究学者在理论模型的基础上, 通过一系列实体试验和数值模拟软件从不同角度研究了喷淋后烟气层的沉降特性, 这些研究对水喷淋的合理设计有着重要意义。

自动喷水下落液滴同烟气的作用, 一方面通过冷却作用降低了烟气层的温度, 减少了烟气层对可燃物的热辐射, 降低了火灾蔓延的可能性;另一方面烟气层温度降低, 浮力下降, 烟气层下沉, 导致烟气层的清晰高度降低, 不利于人员疏散。但美国大量的火灾统计数据证明自动喷水灭火系统有效时, 千次火灾死亡人数仅为无自动喷水灭火系统的12.5%, 受伤人数远远小于无自动喷水的情况, 因此自动喷水灭火系统不会影响疏散^[11]。

这些液滴与热烟气层相互作用的研究主要考虑液相与气相之间的对流传热, 很少关注液滴的蒸发情况。液滴的蒸发同时涉及热量和质量的传递, 了解蒸发液滴的行为对于理解燃烧和灭火等问题是至关重要的。1952年Ranz和Marshall在温度高达220℃的空气中进行液滴蒸发试验, 液滴粒径在600～1 000μm, 0<Re<200的范围内传热传质系数的表达式见式 (4) 、式 (5) ^[3]:

式中Nu———努塞尔数;

Re———雷诺数, , u, d, ν分别是速度 (m/s) , 直径 (m) , 运动粘度 (m²/s) ;

Pr———普朗特数, , c, μ, k分别是等压比热容[J/ (kg·K) ], 粘度 (N·s/m²) , 热导率[W/ (m·K) ];

Sh———舍伍德数;

Sc———施密特数,

1965年Rowe等^[12]回顾了早期单个球体的传热传质工作, Re在60～1 800内, 他们的试验数据给出了以下相关性, 见式 (6) :

1977年Yuen等^[13]使用浸泡在液体中的多孔球在竖直热空气隧道中模拟了水和甲醇的蒸发传热, 其表达式改正见式 (7) :

式中B———传质数;

下标f———表示当前处于薄膜条件下。

2008年Li等^[14]研究了灭火过程中水滴在热烟气层中的行为, 确定了2种环境下液滴的蒸发速率。当烟气层温度低于水的沸点温度, 蒸发的驱动力是水蒸气的浓度梯度。液滴表面先达到其湿球温度, 一旦达到这个温度, 此后到达液滴表面的热量将为蒸发过程提供蒸发潜热。然而在强制对流换热情况下, 热平衡温度略高于湿球温度, 传热系数和液滴的蒸发速率的表达式见式 (8) 、式 (9) ^[13]:

式中m_p———液滴的质量, kg;

λ———导热率, W/ (m·K) ;

d———液滴的直径, m;

c_p———比热, J/ (kg·K) ;

t———时间, s;

下标p———表示液滴相。

当热烟气层的温度高于水的沸点, 蒸发的驱动力是热烟气层与液滴之间的温差引起的热传递。假设蒸发过程使液滴表面保持在对应于稳态状态下环境温度下的湿球温度, 则液滴的蒸发速率见式 (10) :

式中L———水的蒸发潜热, J/kg;

h———对流换热系数, W/ (m²·K) ;

T_g———烟气温度, K;

T_p———液滴温度, K。

FDS技术指导手册中也采用半经验的方法来描述水滴的蒸发。空气悬浮水滴的蒸发是关于液滴平衡蒸发质量分数、局部气体蒸发质量分数、液滴传热量和液滴相对气体的运动的函数。包含上述参数的液滴质量损失率的关系式见式 (11) ^[15]:

式中Y_d, Y_g———为液滴表面和烟气中水蒸气的质量分数;

r_d———液滴的半径, m;

ρ_g———烟气的密度, kg/m³;

D′———水分子在空气中的扩散系数。

当液滴与火焰接触时, 液滴能迅速地与火焰进行热交换并汽化吸热, 降低火焰的温度, 在火焰燃烧区内液滴将以显热和潜热的方式吸收热量。1960年Rasbash^[16]模拟了自由燃烧的碳氢化合物火焰和水喷雾之间的传热, 发现速度较高和直径较小的液滴会增加传热速率, 同时使用X来定义喷雾的传热能力, 见式 (12) 。

式中α———液滴的传热系数, W/ (m·K) ;

ΔT———温度差, K;

———喷雾的总表面积, m²/m³。

2008年陆强^[17]给出了液滴在火焰区的蒸发速率并计算了不同工作压力下细水雾的吸热功率, 结果表明工作压力越大, 液滴的平均粒径越小, 总吸热功率也就越大。

除了传热量方面的研究, 国外的研究学者也进行了大量的实体灭火试验。早在1960年Rasbash等^[16]就研究了水喷雾熄灭液态火灾的机理, 发现灭火时间与液滴尺寸、液体的闪点以及水量有关。1975年Tamanini^[18]探究了木垛火的熄灭过程, 结果表明除了大尺寸木条和较少预燃情况下, 用于表征熄灭平板火灾的相关参数可以用于木垛火, 并提出存在临界施水率, 若低于该值火灾将不能被扑灭。1977年Kung^[19]用己烷池火模拟室内火灾并结合能量平衡获得喷头的吸热率, 发现水的蒸发速率正比于热释放速率、施水率并随着相对中值液滴尺寸的-0.73次方而变化。1986年Takahashi^[20]对木垛火的熄灭进行了试验和理论研究, 通过2种方法施加水:从木垛的顶部到底部和从底部向上。结果表明临界用水率取决于燃烧程度和用水的方法, 从底部施水的临界用水率要高于从顶部施加。

作为另一种灭火机理, 辐射热的衰减是阻止火焰向未燃的燃料表面蔓延的主要途径。从宏观的角度来说, 不管能否扑灭火焰, 水滴对热辐射的衰减作用都可以保护目标和人员免受热辐射的伤害。

液滴对热辐射的吸收是一个复杂的现象, 涉及多个过程, 例如介质的衰减、相变、对流传热和液滴的透射率。1989年Ravigururajan等^[21]采用简单的直接传输辐射通量模型, 利用兰贝特-贝尔定律模拟了水滴对辐射的衰减, 并在单分散粒径的情况下获得了其透射率T_r, 见式 (13) , 他们还指出当液滴半径近似等于波长时可获得最大衰减系数^[21]。

式中K———衰减因子;

Ψ———单位体积空间内所含喷洒的水的质量, kg/m³;

ρ———水的密度, kg/m³;

l———水的厚度, m;

r———水滴粒子的半径, m。

1993年Coppalle等^[22]采用双通量模型计算了水幕对热辐射的衰减。计算结果表明当液滴直径与源最大发射的波长具有相同的数量级时衰减效率最高。2004年Yang等^[23]使用米氏理论计算了液滴的吸收系数、散射系数以及散射相函数, 同时建立双通量模型来预测不同波长的均匀水雾的辐射穿透。2006年Hostikka等^[24]提出了一种多分散喷雾中多色辐射输运的数值方法, 采用低马赫数大涡模拟来描绘湍流运动, 并用试验进行验证。结果表明当液滴之间的水动力学作用较弱时模型能够很好地预测水喷雾中热辐射的衰减。

国内关于热辐射的衰减的研究大多集中在消防水幕上。2004年钟涛等^[25]从温度的角度进行了大空间内水幕防火分隔的试验研究, 结果表明水幕能有效阻隔热量扩散, 降温隔热效果明显。2007年葛晓霞等^[26]通过实体试验探究了喷头流量和压力、设置高度、喷头类型和布置方式4种设置参数对消防水幕衰减热辐射能力的影响。

洒水喷头动作后, 亲水性和吸湿性较强的物质会快速吸收洒落在表面的水滴, 物质中自由水的比例升高;同时由于水的表面张力, 其表面会形成一层薄薄的附着层, 两者的共同作用使得物质的导热率明显降低, 所需的热解时间更长, 从而能有效防止火灾蔓延。对于疏水物质, 喷洒在其表面的水滴也会由于表面张力而在其表面形成散落的球形液滴。液滴受热蒸发, 其周围的空气被水蒸气取代, 置换氧气的同时也阻隔了热辐射。从宏观角度看, 水的湿润作用间接地减缓了火灾蔓延的速度。

2007年Poespowati^[27]通过试验研究了水施加时间对木材复燃的影响, 水在灭火过程中的有效性被确定为蒸发时间和恢复时间。复燃的行为表明水施加时间越长, 复燃所需时间就越久。这归因于事实:水施加时间越长, 大量的水将积聚在样品中和其表面, 因此需要更多的热量来蒸发水。2013年夏恩亮^[28]探究了棉花的含水率对点燃性能的影响, 结果表明随着棉花含水率增加, 水分蒸发需要消耗更多的热量, 同时也因为棉花含水率的增加, 棉花的导热系数以及比热容都相应增大, 从而导致棉花的热惯性增大, 棉花升温速率减缓, 引燃时间增加。2013年尹盼盼^[29]从理论上给出了引燃单位质量的干燥可燃物需要的热量q, 见式 (14) :

式中T₀———环境温度, K;

T_ig———引燃温度, K;

M———可燃物的干基含水率, %;

L———水分蒸发潜热, kJ/kg;

c_p———水的比热, J/ (kg·K) ;

c_w———干燥可燃物的比热, J/ (kg·K) 。

火灾发生时, 火源上方的热烟气在浮力驱动下形成上升的热烟气羽流。烟气到达顶棚后开始聚集, 将喷头淹没。喷头与其周围的热烟气之间通过对流传热。因此在没有水滴的情况下, 喷头的热平衡方程可用式 (15) 表示^[30]:

式中m———感温玻璃球的质量, kg;

c_p———感温玻璃球的比热, J/ (kg·K) ;

S———感温玻璃球表面积, m²;

T_G———烟气的温度, ℃;

T_s———玻璃球的温度, ℃。

则, 第一只喷头启动时间t见式 (17) :

式中t———第一只喷头启动的时间, s;

T₀———环境温度, ℃;

u———烟气的速度, m/s。

第一只喷头动作后, 液滴便被释放到上升的热气体羽流中, 这些液滴的一部分被上升的羽流夹带并输送到相邻的喷头。液滴沉积在喷头上并蒸发冷却, 从而增加了相邻喷头动作的时间。假设气流中的液滴处于饱和流体状态, 即每单位质量的水的蒸发冷却等于蒸发潜热, 见式 (18) :

式中ρ_L———流体的密度, kg/m³;

β———水的体积分数, ppm;

κ———积聚系数;

A———垂直于流动的喷头热敏元件的横截面积, m²;

上标W———表示处于湿气流条件。

式中C———蒸发冷却系数,

则在湿气流条件下, 相邻喷头的动作时间t_A见式 (20) :

式中T_A———喷头的动作温度, ℃;

t_A———喷头动作的时间, s。

自动喷水灭火的过程十分复杂, 尽管液滴与烟气的作用、液滴与火焰的作用、液滴的蒸发、热辐射的衰减、以及物品湿润等多个方面已经获得了足够的认知, 但仍有进一步研究提升的必要, 以不断修订和完善理论公式。自动喷水灭火系统对于辐射热的有效阻隔还有待研究及进一步发展, 特别是对于大型可燃液体储罐的冷却系统对辐射热的阻隔, 另外自动喷水灭火对于高架仓库的立体火灾的扑灭, 仍然有待于进一步研究其灭火理论。

因自动喷水灭火系统实体火灾试验成本很高, 近些年在国际上开始采用CFD、FDS等软件模拟研究自动喷水灭火系统的设计参数, 以节省大量资源, 近些年作者团队开展了自动喷水灭火系统模拟研究^[31,32], 一方面模拟获得经济合理的设计参数, 另一方面通过实体火灾试验修正数值模拟参数, 使模拟获得的结果更加精确。同时随着科学技术的不断发展, 未来仿真模拟技术会进一步提高, 更加接近实体火灾试验结果, 火灾仿真模拟必将进一步突破。

在工业和仓储自动化、工业建筑新材料使用以及新能源电池等广泛应用的新趋势下, 自动喷水灭火系统必将进一步发展, 同时未来需要迎接高大厂房等诸多新挑战;另外随着冷链仓库的发展, 高大空间的干式自动喷水灭火系统也会有所发展和突破。

随着AI (Artificial Intelligence) 技术的发展, 未来全新的智慧型自动喷水灭火系统如智能喷淋系统等将有更多的课题需要研究, 智慧自动喷水系统将更加注重早期灭火, 以便更加有效控火, 减少系统投资、过火面积和水渍损失, 使系统更加安全可靠经济合理。