引用本文：陈涛, 秦国杨, 张鹏, 王雨薇, . 超高层建筑压缩空气泡沫枪喷射特性研究[J]. 消防科学与技术, 2024, 43(1): 1-4.
Chen Tao, Qin Guoyang, Zhang Peng, Wang Yuwei, . Study on discharge characteristics of compressed air foam nozzle in super high-rise buildings[J]. Fire Science and Technology, 2024, 43(1): 1-4.超高层建筑压缩空气泡沫枪喷射特性研究
陈涛1,2,3,秦国杨1,3,张鹏1,2,王雨薇1,2,3
（1. 应急管理部天津消防研究所，天津 300381；2. 工业与公共建筑火灾防控技术应急管理部重点实验室，天津 300381；3. 天津市消防安全技术重点实验室，天津 300381）摘要：为完善超高层建筑压缩空气泡沫灭火系统关键性能参数和全面评价其灭火能力，采用泡沫混合液流量和气液比可调的压缩空气泡沫产生装置，测试了典型19 mm泡沫枪在不同条件下的喷射特性参数，分析了泡沫枪喷射特性与混合液流量、气液比等输入参数之间的量化关系。结果表明，当泡沫混合液流量一定时，泡沫枪压力与气液比基本呈线性递增关系，泡沫射程与气液比呈现正相关关系，发泡倍数随气液比先增大后减小；在气液比一定条件下，泡沫枪压力与混合液流量基本呈线性递增关系，泡沫射程与混合液流量呈现正相关关系，发泡倍数随混合液流量变化规律与气液比实际大小密切相关。
关键词：压缩空气泡沫；喷射特性；超高层建筑；泡沫枪；气液比；混合液流量；泡沫射程
中图分类号：X913.4；TQ569 文献标志码：A
基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFC3001700，2021YFC3001704）；天津市科技计划多元投入重点项目（22JCZDJC00880）；应急管理部天津消防研究所基科费项目（2022SJ15，2022SJ13）
压缩空气泡沫灭火技术具有灭火高效、水渍损失小、垂直输送高度高、供泡压力低、安全性高等优点，具备解决超高层建筑灭火供液难题的技术优势。目前，重庆、上海、广西等地的部分超高层建筑已开始采用压缩空气泡沫消火栓系统进一步提升灭火能力，其中压缩空气泡沫枪主要采用超高层建筑内常用的19 mm直流水枪。目前，国内外学者针对超高层建筑压缩空气泡沫灭火技术已初步开展了相关数值模拟和实体试验。中国科学技术大学采用标准 k-ε模型结合耦合求解方法研究气液比、管径和供液流量对压缩空气A类泡沫垂直管网输运压力衰减的影响规律；中国矿业大学基于稠度系数、流变指数，得到压缩空气泡沫的压力损失模型，揭示了压缩空气泡沫的流变特性及压力损失规律；不同的消防队伍分别在上海、南宁等地的超高层建筑开展了压缩空气泡沫灭火系统性能测试，但受超高层建筑现场实际条件限制，试验仅局限于观测泡沫效果，测试发泡倍数和射程等，而针对经过垂直长距离输送后的压缩空气泡沫混合液流量的研究十分不足，缺乏科学的测试评价方法与系统完善的应用参数。鉴于此，采用泡沫混合液流量和气液比可精准调控的压缩空气泡沫产生装置，试验测试了典型19 mm泡沫枪在不同混合液流量和气液比下的压力、射程、发泡倍数等喷射特性参数，建立了泡沫枪喷射特性与压缩空气泡沫产生装置混合液流量、气液比等输入参数之间的量化关系，对于建立完善超高层建筑压缩空气泡沫灭火系统性能参数、全面科学评价其灭火能力、指导工程设计具有重要意义。1 试验部分
1.1 试验样品
采用符合国家标准GB 27897-2011《A类泡沫灭火剂》要求的A类泡沫灭火剂作为试验样品，灭火性能级别达到Ⅰ级，混合比为1%。1.2 试验装置
采用设有泡沫液、泡沫混合液和气体流量计的500 L/min型压缩空气泡沫产生装置和一根长20 m的DN65消防水带，提供不同泡沫混合液流量和气液比的压缩空气泡沫，测试19 mm泡沫枪在不同混合液流量和气液比下的射程、压力、发泡倍数等喷射特性参数。压缩空气泡沫产生装置的泡沫混合液流量可调范围为50~500 L/min，气液比可调范围为2：1~30：1。 参考GB 20031-2005《泡沫灭火系统及部件通用技术条件》中规定的试验方法，在19 mm泡沫枪的泡沫入口处安装精密压力传感器，将泡沫枪置于喷射架上，调整好枪轴线与水平线的夹角（仰角）至30°±1°，调整枪出口端中心至地面的高度约为1 m，如图1所示。采用风速仪测试环境风速，当无风或风速不超过0.5 m/s时，开始顺风测量，以降低试验误差。启动压缩空气泡沫产生装置，待达到设定混合液流量和气液比并且喷射压力稳定后，至少连续稳定喷射30 s，测量泡沫集中点至枪口的水平距离为射程，同时记录泡沫枪压力。采用GB 27897-2011《A类泡沫灭火剂》标准规定方法，搜集泡沫样品，测试发泡倍数、25%析液时间。2 试验结果分析
通过试验测量，建立19 mm泡沫枪压力、射程、气液比、发泡倍数等性能参数与混合液流量和气液比间的对应关系，结果如表1、图2~图6所示。试验结果表明，泡沫混合液流量范围为90~240 L/min时，19 mm泡沫枪喷射的泡沫发泡倍数为5.7~13.6倍，25%析液时间达6.8~10.0 min。图1 19 mm泡沫枪喷射特性测试图
Fig. 1 Test diagram of spray characteristics of 19 mm foam gun表1 19 mm泡沫枪在不同工况下的喷射特性（部分）
Table 1 Injection characteristics of 19 mm foam gun under different working conditions (part)
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2.1 不同气液比或混合液流量19 mm泡沫枪压力变化
根据表1数据，绘制泡沫枪压力随气液比或混合液流量变化情况，如图2所示。由图2可知，气液比和混合液流量均对泡沫枪压力产生显著影响。当泡沫混合液流量一定时，在气液比为3~20范围内，气液比越大，泡沫枪压力越大，泡沫枪压力与气液比基本呈线性递增关系；当气液比一定时，在泡沫混合液流量为90~240 L/min范围内，泡沫枪压力随着泡沫混合液流量的增加而增加，泡沫枪压力与泡沫混合液流量之间基本呈线性递增关系。主要原因为，随着泡沫混合液流量和气液比增大，消防水带内泡沫流体的流动速度增大，使得泡沫混合液在泡沫枪入口处压力升高。 ![]()
图2 19 mm泡沫枪压力与气液比和混合液流量关系曲线Fig. 2 Relation curve of 19 mm foam gun pressure to gas liquid ratio and mixed liquid flow
由此可见，压缩空气泡沫产生装置的泡沫混合液流量、气液比等输入参数与泡沫枪压力之间具有一定的量化关系。在实体超高层建筑工程应用中，可根据该量化关系，依据比较容易测试的泡沫枪压力，反推出相应的泡沫混合液流量范围。2.2 不同气液比或混合液流量19 mm泡沫枪射程变化
19 mm泡沫枪射程与气液比和混合液流量的变化规律如图3所示。![]()
图3 19 mm泡沫枪射程与气液比和混合液流量关系曲线Fig. 3 Relation curve of 19 mm foam gun range to gas liquid ratio and mixed liquid flow
在气液比一定、泡沫混合液流量为90~240 L/min范围内，泡沫枪射程随泡沫混合液流量增加而增加，泡沫枪射程与泡沫混合液流量呈正相关关系；在泡沫混合液流量一定，气液比为3~20范围内，泡沫枪射程与气液比呈现正相关关系。需说明的是，户外开展试验时，由于压缩空气泡沫质量较轻，泡沫枪射程测量过程易受到环境风的影响，导致射程测量结果会存在些许偏差，因此建议在无风或者室内测试泡沫射程。由此可见，压缩空气泡沫产生装置的泡沫混合液流量、气液比等输入参数与泡沫射程之间具有一定的量化关系。在实体超高层建筑工程应用中，可根据该量化关系反推估算出相应的泡沫混合液流量范围。2.3 不同气液比或混合液流量19 mm泡沫枪发泡倍数
19 mm泡沫枪发泡倍数与气液比和混合液流量的变化规律如图4所示。在气液比一定的条件下：当气液比为3：1~6：1时，发泡倍数随泡沫混合液流量增加而增加；当气液比为10：1~15：1时，发泡倍数随泡沫混合液流量先增大后减小；当气液比为20：1时，发泡倍数随泡沫混合液流量变化不大。在泡沫混合液流量一定条件下：发泡倍数随着气液比增大先增大后变小；随着混合液流量增大，发泡倍数出现峰值对应的气液比不断降低。主要原因是，随着气液比和泡沫混合液流量增大，泡沫枪入口处压力增大，喷射出的泡沫压差变化增大，引起泡沫发生膨胀现象越来越显著。![]()
图4 19 mm泡沫枪发泡倍数与气液比和混合液流量关系曲线Fig. 4 Relation curve of foaming multiple of 19 mm foam gun with gas-liquid ratio and mixed liquid flow
从图5所示的两种不同工况下泡沫枪泡沫射流效果可以明显看出，在气液比为6：1、泡沫混合液流量90 L/min条件下，泡沫枪入口处压力为0.10 MPa，泡沫射流宽度较小。在气液比为15：1、泡沫混合液流量180 L/min，泡沫枪入口处压力为0.58 MPa，泡沫射流宽度膨胀了4~6倍。这说明当泡沫混合液流量和气液比超过一定值，泡沫枪压力变大，泡沫发生膨胀突变，射流宽度增加，并且泡沫破碎，泡沫中的空气部分逸散。当气液比增加到6：1以上时，泡沫喷射过程中造成的逸散量大于气液比增加量，因此导致实际泡沫倍数较小，但泡沫仍较为细腻均匀，泡沫稳定性更高。 ![]()
Fig. 5 Foam jet effect of 19 mm foam gun under different working conditions
2.4 不同压力下19 mm泡沫枪射程变化规律
由图6的19 mm泡沫枪射程与压力关系曲线可知，在泡沫混合液流量为90~240 L/min、气液比为3：1~20：1的范围内，泡沫混合液流量一定条件下，压缩空气泡沫射程随泡沫枪压力增大而增大。在泡沫枪压力为0.1~0.8 MPa范围内，不同泡沫混合液流量下，泡沫射程均随压力增大而增大。Fig. 6 Relation curve of 19 mm foam gun range and pressure
2.5 19 mm泡沫枪喷射特性综合分析
通过冷喷试验可知，由于试验中消防水带较短，启动压缩空气泡沫产生装置约10 s就达到设定混合液流量和气液比，并且泡沫枪达到稳定喷射状态，此时的压缩空气泡沫产生装置的混合液流量、气液比等输入参数与泡沫枪的混合液流量和气液比一致。压缩空气泡沫产生装置和泡沫枪达到稳定状态后，压缩空气泡沫混合液流量、气液比等输入参数与泡沫枪的压力、射程、发泡倍数等喷射特性之间具有一定的量化关系。在实体超高层建筑工程应用中，不具备全面测试泡沫枪喷射特性参数条件时，可根据该量化关系，依据比较容易测试的泡沫枪发泡倍数或压力、射程等参数，反推出泡沫混合液流量等对灭火性能影响较大的关键参数，建立、完善灭火系统性能参数。例如：根据实体超高层建筑开展的压缩空气泡沫垂直长距离输送试验可知，经过约220 m垂直长距离输送后，使用19 mm泡沫枪喷射出的泡沫射程为17 m，发泡倍数约为11倍，但受现场条件限制，无法测试泡沫混合液流量。因此，可依据图2~图4推算出等效垂直长距离输送后的参数（泡沫混合液流量为90~120 L/min，气液比为3：1~10：1），为评价垂直长距离输送后泡沫液的实际灭火能力提供有效支撑。3 结 论
1）对于超高层建筑内常用的19 mm泡沫枪，泡沫混合液流量一定时，泡沫枪压力与气液比基本呈线性递增关系，泡沫射程与气液比呈现正相关关系，发泡倍数随气液比先增大后减小。在气液比一定条件下，泡沫枪压力与混合液流量基本呈线性递增关系，泡沫射程与混合液流量呈现正相关关系，发泡倍数随混合液流量变化规律与气液比实际大小密切相关。2）泡沫枪压力、射程、发泡倍数等喷射特性与压缩空气泡沫产生装置混合液流量、气液比等输入参数之间具有良好量化关系。可据此量化关系，结合实体超高层建筑垂直长距离输送后的发泡倍数、射程等参数，为评价超高层建筑压缩空气泡沫灭火系统灭火能力提供依据。3）不同阶段和部位的超高层建筑火灾处置方法不同，建议根据实际火灾情形选择科学的灭火手段及应用参数。对于管道井、电梯井等部位，可以采用发泡倍数高、析液时间长的压缩空气泡沫进行覆盖封隔和快速降温灭火，同时可减小常规水系统的水渍损失，避免大量消防水造成电梯等电气设备失效。
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