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火灾烟气特征的实验研究

2002 年 3 月              传 感 技 术 学 报              第 1 期

The Exper i m en ta l Study on the F ire Sm oke
R A N ha ichao
(H ebei U n iv ersity of S cience & T echnology , S h ij iaz huang 050054 P. R . C h ina )

Abstract:  T he sm oke is the im po rtan t p hysica l p henom enon in fire p rocess. It s m any p rop ert ies, such a s am oun t and size d ist ribu ted of sm oke p ellet s, reun it ing and tu rbu len t effect s, a re im po rtan t affect ing fac2 to rs to fire detect ion. T h is p ap er ana lysis the fire sm oke p rop ert ies and p rovides the exp erim en ta l ba sis fo r m o re p a ram et ric cha racters of the sm oke. Key words:  fire sm oke; fire p ictu re detect ion; tu rbu len t effect s

火灾烟气特征的实验研究
冉海潮
( 河北科技大学 石家庄 050054)



摘要: 烟气是火灾过程的重要物理现象. 烟气中悬浮的烟气颗粒目、 尺寸分布、 团聚效应和烟气的湍流效应是火灾 探测的重要影响因素. 本文分析了火灾烟气的特征, 为多参数特征的火灾探测提供了理论依据. 关键词: 烟气; 湍流效应; 火灾探测 中图分类号: T K12   文献标识码: A    文章编号: 1005- 9490 ( 2002) 01- 0094- 03

灾烟气特征进行实验研究, 为新的多参数火灾识别

1 引 言
  在人类的发展史上, 火灾是一种常见的灾害, 因 此能正确预报火情是火灾探测系统始终追求的目 标, 也是比较火灾报警系统指标的重要标志之一. 而 目前的智能火灾探测系统则是根据 CO 、 烟 O 2、 H 2、 气浓度的和温度及其变化量等与火灾状态的映射关 系得出的一些智能算法[ 1~ 4 ] , 而基于图像的火灾探 测则是根据火焰特征的探测方法[ 5 ]. 然而日趋严格 的火灾安全要求和最大程度地减少火灾损失形势, 迫切需要有更早、 更准确的, 新的火灾探测方法的拓 展 . 烟气是火灾的前兆和伴随产物, 本文旨在对火

提供实验数据, 以丰富目前的火灾探测方法 .

2 火灾烟气特征的实验研究
2. 1 烟气特征

根据美国测试与材料学会 (A STM ) 和国际消防 协会 (N FPA ) 的定义[ 6 ]: 烟气包括悬浮的固相和液相 颗粒, 以及材料热解过程产生的气相物质 . 因此, 火 灾烟气流动属于两相流流动, 悬浮于其中的烟气颗 粒、 烟气浓度、 烟气的湍流效应、 烟气颗粒的团聚效 应等是火灾图像探测光学特性的重要影响因素, 是 火灾探测与预警研究的重要内容 . 一般地, 我们给烟气颗粒在湍流流动中不断相

来稿日期: 2001205207 ① 基金项目: 本课题得到了河北省自然科学基金的资助 ( 项目号: 601260)

第 1 期                     冉海潮: 火灾烟气特征的实验研究                95

互碰撞结合形成凝聚的现象定义为烟气颗粒的团聚 效应 . 团聚可分为热团聚、 湍流团聚、 梯度团聚、 声团 聚和重力团聚等, 而火灾烟气颗粒团聚主要是热团 聚、 湍流团聚和梯度团聚三种方式. 根据文献 [ 7 ], 由 扩散方程可推导出三种方式中单位时间内的颗粒碰 撞量、 每次碰撞的颗粒减少数目与颗粒平均直径, 以 及尺寸分布宽度之间的关系, 并可得出如下结论: 一 般小于 1 Λ m 的颗粒, 热团聚占主导地位; 颗粒较大 时, 梯团聚较突出; 颗粒再大时, 则湍流团聚占优势. 这些团聚效应必能使火灾烟气的光学特性发生变 化, 在烟气图像上的反应为局部亮度和色度的 “突 变” , 从而可依据这种 “突变” 来判断是否发生火灾. 2. 2 实验系统和实验条件 在火灾过程中, 其热的传播方式多数为热辐射, 因此我们采用与国家火灾重点实验室相仿的实验 台[ 8 ] , 来完成火灾烟气的产生与控制, 实验装置如图 1 所示, 其技术参数为: 功率: 45 ~ 110 kW 可调 电压: 三相 380 V 发热面积: 450 mm ×450 mm 温升时间 ( 0 ~ 1000℃) : < 5 m in 最高温度: 1100℃ 控温方式: 可控硅 P I D 自动控制 为了观测火灾烟气特征, 将产生的烟气通过烟 道 9 从底部送入 3 m ×3 m ×3 m 的受限观测空间, 并作如下假设: ① 烟道中烟气温度与受限空间内的烟气温度 相近; ② 烟道内的烟气浓度与受限空间内的烟气浓 度相近.

一致性, 而烟道内的烟气温度易于测量 . 同理, 假设 ②的合理性在于其对观测结果影响的一致性, 而烟 道的烟气浓度便于测定 . 2. 3 实验测试方法 在受限空间, 采用激光相位多普勒[ 9 ] ( PDA ) 检 测技术对烟气颗粒因团聚而改变的尺寸大小、 漂移 速度等进行检测, 并验证因团聚在烟气图像上的 “突 变” . 扩展 PDA 系统如图 2 所示 . 送风量变化范围在 3 0. 1 ~ 0. 3 m s; 通过调节电加热装置可使烟气温度 变化范围在 0 ~ 900℃, 测温元件采用镍铬2镍硅热电 偶; 燃烧介质为杂木颗粒 0. 2 m 3 ( 粒径 1 ~ 4 mm ) ; 同时用摄象机观察烟气图像的变化规律 .

图 2 PDA 系统示意图

当处于 XO Z 平面的两束相干光聚焦于 O 点 时, 在 O 处形成一测量小区域, 待测烟气颗粒沿 X 轴穿过时, 将使两束相干光发生散射 . 当利用多个检 测器接收散射光的多普勒信号时, 由于接收器所处 空间位置不同, 任意两个检测器所接收到的多普勒 信号之间存在着相位差 ?5 i , 对处于同一偏轴角 Υ i 且对称于 YO Z 平面布置 ( 提升角为 7 i ) 的两个检测 器, 该相位差 ?5 i 与颗粒的直径 d 成正比: ?5 i = R i × d 相关的系数:
Ri= -

( 3)

其中 R i 是与检测器组的空间位置和粒子散射特性
2Π m sin Α sin 7
i

( 4)
D i)

Κ D i (1 + m - m
2

图 1 火灾烟气发生装置简图

且:
D i = 2 ( 1 + co sΑ co s7 i co sΥ i)

根据假设①可通过测定烟道中的烟气温度来控 制电加热器的热辐射量, 从而观测烟气温度对烟气 颗粒团聚的影响规律, 该假设的合理性在于受限空 间内的被观测烟气来源于烟道和对观测结果影响的

( 5)

式中: m 表示烟气颗粒的相对折射率 . 因此, 只要知 道相对折射率, 就可利用多普勒信号的相位差来确 定颗粒尺寸及其变化 .

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( 4) 、 ( 5) 可 今 设置两组 PDA 检测器, 由式 ( 3) 、 知, 两个相位差的比值与颗粒尺寸无关:

聚的影响, 但不明显, 这说明温度对团聚起着决定作 用 .

?5 1 sin 7 = ?5 2 sin 7

1 2

D 2 (1 + m - m D 1 (1 + m - m
2

2

D 2) D 1)

( 6)

3 结 论
  烟气的产生速度依赖于材料燃烧过程的通风条 件, 烟气图像变化依赖于烟气颗粒尺寸分布及烟气 颗粒的团聚效应 . 烟气颗粒的团聚效应使烟气图像 的局部产生亮度和色度 “突变” , 这可作为识别火灾 的烟气图像判据, 这一发现可在实际工程背景相对 较确定的场合得到应用, 从而进一步改善目前以火 焰为对象的早期火灾图像探测系统 .

由式 ( 6) 可以得出烟气颗粒的相对折射率. 2. 4 实验验证结果分析 从前文可知, 温度、 燃烧介质、 颗粒尺寸、 烟气颗 粒浓度是影响烟气颗粒团聚的几个重要因素. 实验 中, 我们选择的燃烧介质不变, 通风量不变 ( 本次送 风量取 0. 2 m 3 s ) , 烟气温度参数是: 20℃、 500℃、
800℃、 900℃, 分别将烟气颗粒因温度变化的团聚结

果绘于图 3. 参考文献
[ 1 ]  冉海潮等, 消防系统设计与工程实践 [M ]. 北京, 科学

出版社, 1999 年
[ 2 ]  R an H a ichao. T he F ire D etection System O n N eu ra l N etw o rk [J ]. F ire Safety Science, J an. 2000; 9 ( 1 ) : 34 - 38 [3 ]  姚伟祥, 吴龙标. 火灾探测的一种模糊神经网络方法 [J ]. 自然科学进展, 1999; 9 ( 8) : 739- 745 [ 4 ]  冉海潮等, 基于 B P 网络的智能火灾探测系统 [J ], 传感

图 3 烟气颗粒团聚图

技术学报, 2000; 13 ( 2) : 153 ~ 156
[ 5 ]  吴龙标, 宋卫国. 图像火灾监控中的一个新颖的火灾判

由图 3 可见: 当烟气颗粒在 1 ~ 10 Λ m 粒径范围 内, 温度增加时, 团聚效率也在增加. 但对于较细颗 粒, 却发生了一个有趣现象, 即当粒径在 0. 5~ 0. 7 “鱼钩状” . 究其原因是随温度的升高 Λ m 时, 曲线呈 热团聚增强的结果. 而早期烟气颗粒基本在此范围 内, 这一现象对早期烟气的火灾探测将提供重要依 据, 即在火灾早期, 随温度升高热团聚增加在 “鱼钩 状” 附近, 将导致烟气图像亮度和色度的 “突变” . 此 外, 在本实验装置上还做了其它因素对烟气颗粒团

据 [J ]. 火灾科学, 1997; 6 ( 2) : 60- 66
[ 6 ]  范维澄等, 火灾科学导论 [M ], 武汉: 湖北人民出版社, 1993 年 [ 7 ]  Fuch s N A. T he M echan ic of A ero so l, 1964 [ 8 ]  杨立中, 可燃材料火灾性能参数的实全研究 [J ]. 火灾

科学, 2000; 9 ( 4) : 32- 37
[ 9 ]  Hon Q W , Zeng Z M. T he O p ti m iza ton of PDA O p ti2 ca l System [J ]. Ch inese Jou rna l of L a sers, 1995; 4 ( 6)

作者简介: 冉海潮 ( 19642) 男, 现为河北工业大学高级工程师, 建筑防火专家, 著有 《消防系统设计与工程实践》 一书, 主持设计了河北 省石油公司等多项重点工程项目的自动灭火系统, 发表学术论文 20 余篇, 完成多项鉴定项目. 目前主要从事智能控制、 多传感 器信息融合、 自动灭火系统设计等方面的研究.


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