多组分细水雾抑制顶棚射流火焰有效性及其湍流效应和多相催化灭火机制研究

Water curtain is an important fire-proof separation technology, but which deplete a large amount of water. To save water for active fire extinguishing, we tried to use water mist curtain technology, but it is difficult to effectively suppress ceiling jet flame for water mist curtain. In order to improve the efficacy of water mist curtain, the project will adopt multi-component water mist technology, and conduct research from a new view of turbulent effect of and heterogeneous catalytic on ①the synergistic extinguishing efficacy of multi-component water mist between components, and their effects on pulsation frequency of diffusion flame; ②the heterogeneous catalysis mechanism: based on quantum calculation and thermal decomposition experiments, the adsorption and decomposition of energy barrier of typical combustible and free radicals on the surface will be analyzed; ③ turbulent effect: through changing the occurrence position and intensity of turbulence effect, the local Da number in flame will be obtained to reveal the turbulence-chemical coupling mechanism based on CFD simulation; ④the efficacy of multi-component water mist curtain suppressing ceiling jet flame: through full scale experiment and numerical simulation, the combustion characteristics of the jet flame will be revealled, and models of predicting key parameters like the ceiling flame length and flame thickness according to the characteristics of the water mist curtain will be established.

水幕是一个重要的防火分隔技术，但是水幕消耗大量消防用水。为将更多的消防水用于主动灭火，申请人前期尝试引入细水雾幕技术，但实验发现细水雾幕难以有效抑制危害最大的顶棚射流火焰。为提高抑制效果，本申请项目拟引入多组分细水雾技术，拟从湍流效应和多相催化的新角度，研究①多组分细水雾协同灭火效果，及对扩散火焰脉动频率等参数的影响；②多相催化灭火机理：采用量化计算和热分解实验，研究典型可燃物及自由基在表面的吸附、分解能垒，揭示多相催化灭火机理；③多组分细水雾的湍流效应-化学作用协同机理：基于CFD模拟，改变湍流效应发生强度和位置，研究火焰局部Da数，揭示湍流-化学耦合机制；④多组分细水雾幕抑制顶棚射流火焰有效性：基于全尺寸实验和数值模拟，研究不同参数细水雾幕作用下顶棚射流火焰的燃烧特性，验证湍流-化学协同效果，建立顶棚射流火焰长度、火焰厚度等关键参数的随水雾幕特性变化模型。

水幕是一个重要的防火分隔技术，但是水幕消耗大量消防用水。为将更多的消防水用于主动灭火，引入细水雾幕技术。为提高现有细水雾幕的有效性，一是开展了细水雾添加剂的灭火有效性研究，二是开展了针对双流体多组分细水雾幕的气固协同灭火效果研究，三是针对机理开展了多相催化和湍流灭火机理的研究，最后是改进细水雾幕喷头，并开展细水雾幕抑制和控制顶棚射流火焰 有效性的研究。具体研究和结论如下：（1）通过改进的杯型燃烧器实验，获取了典型添加剂类型及不同浓度下的临界灭火浓度，通过对比分析（对比不同燃料的临界灭火浓度，对比不同物质的临界灭火浓度，对比理论预测的临界灭火浓度），半定量的分析了吸热作用、化学作用、湍流效应以及可能的多相催化灭火机理。结果表明K2C2O4, CH3COOK, KNO3，K2CO3，KCl都优于KOH，KOH的灭火效果并不显著，结果不足以说明KOH(g)是灭火活性物质。（2）自制了粉体临界灭火浓度测量装置，获取了不同驱动气体条件下，不同粉体的临界灭火浓度，定量分析了协同作用，发现磷酸铵盐惰性气体具有很好的协同效果，并获取了最佳协效的浓度范围，为最佳的浓度范围提供依据和科学指导。（3）应用量子化学从头算和密度泛函理论，研究了H，O和OH自由基、O2、和H2等分子在典型添加剂晶体表面（NaCl(100)和KCl(100)）的吸附能和分解能垒等，对比分析了捕获H，O和OH自由基、及表面的热分解钝化作用。结果表明，NaCl消去氧自由基能力强，KCl消去氢自由基能力强；NaCl和KCl均能提高H2、O2分解能垒，NaCl对于H2的分解抑制效果更好，KCl对于O2的分解抑制效果更好（4）优化改进了细水雾幕喷头，并在改进的细水雾喷头基础上，通过实验和模拟研究获得了较优的细水雾参数，和细水雾喷头布局，以防止火灾扩大和蔓延。本项目的研究为提高细水雾幕防火分隔技术、细水雾灭火技术以及粉体灭火技术提供了理论和技术支持，为细水雾幕防火分隔的工程设计提供动力学模型和实验数据支撑，为细水雾灭火技术的在更广泛领域的应用打下了坚实的理论基础。