声波团聚消除火灾烟雾的微观控制机理及离散单元法数值模拟

The development phase of a typical fire in enclosures usually only lasts for a short time, ranging from a few minutes to more than ten minutes, which is the most favorable time for the evacuation of people. However, the smoke always reduces the visibility in the evacuation routes, and hinders people's escape. Acoustic agglomeration is an aerosol pretreatment technology which uses sound field to produce rapid agglomeration between fine particles. In this research project, an innovative method, which applies acoustic agglomeration technology to eliminate fire smokes and increases the visibility in the evacuation routes in only a few seconds, has been proposed. Based on the small experimental set-up and the full-scale room fire test system, the acoustic agglomeration efficiency of fire smokes will be comprehensively studied, and the influences of the parameters of sound field and the characteristic of fire smokes will be obtained. Meanwhile, the exerted forces and movements of fine particles in the sound field will be theoretically investigated to obtain the agglomeration and breakage mechanisms. Moreover, in order to achieve the accurate prediction of the acoustic agglomeration effect, the agglomeration process will be simulated numerically by the multiple-time-step three-dimensional discrete element modeling. This research project is expected to provide a new potential technology for eliminating the smokes in fire.

发生室内火灾时，轰燃前的初期增长阶段一般只有几分钟至十几分钟，是人员疏散最有利的时段，然而该阶段产生的大量烟雾往往会急剧降低通道可见度。声波团聚是一种利用声场使超细颗粒发生快速团聚的气溶胶处理技术。本项目提出了声波团聚用于消除火灾烟雾的新方法，能够在数秒时间内大幅提高通道的可见度，为火灾初期人员疏散提供保障。通过小型实验台架和全尺度房间试验装置，进行系统的基础实验研究，掌握声场参数和烟雾特性对声波消烟的影响规律。同时，对火灾烟雾超细颗粒在声场和流场中的颗粒受力和运动进行理论研究，揭示团聚及破碎的微观机理，并建立相应的数学模型。采用基于多时间步长算法的离散单元法对团聚过程进行三维直接数值模拟，实现对声波消烟效果的预测。本项目的研究，能够为火灾烟雾的控制提供一条全新的技术路线。

发生建筑火灾时，大量烟雾往往会急剧降低通道可见度，是火灾第一杀手。声波团聚是一种利用声场使超细颗粒发生快速团聚的气溶胶处理技术。本项目提出了声波团聚用于消除火灾烟雾的新方法，能够在数秒时间内大幅提高通道的可见度，为火灾初期人员疏散提供保障。项目对典型火灾烟雾的生成特性进行了测试，掌握了烟雾的粒径分布、产烟速率和主要成分等，并研究了材质、点火时间、燃烧方式等对火灾烟雾生成特性的影响；研究了声波团聚消除火灾烟雾的效果及影响因素，在1.5 kHz高强声波作用下，仅需15 s火灾烟雾透光率提升至0.6，达到了人员安全逃生的能见度安全阈值。频率是最重要的操作参数，存在最佳团聚频率。实验结果表明，声波功率越高，团聚效率越高，消烟过程越快。另外，通过对超细颗粒受力分析及粒子图像测速等方法，研究了火灾烟雾颗粒的在声场中的运动轨迹，提出了基于声流与声涡的细颗粒物微观团聚机理，发现低频下声流作用较为明显，而高频下观察到明显的声涡，促进团聚。最后，建立了基于多时间步长算法的离散单元法声波团聚数值模型，包括同向团聚作用、声尾流效应、重力、布朗随机力和液滴蒸发效应等多重团聚机制，模拟结果与实验结果非常吻合，能够实现对声波消烟效果的预测。本项目的研究成果，为火灾烟雾的控制提供一条全新的技术路线。