靶式流量計(jì)在火災(zāi)煙氣流速測(cè)量中的應(yīng)用
煙氣流速是火災(zāi)研究中的一個(gè)重要參數(shù)。目前，主要采用測(cè)量氣體流速的方法對(duì)煙氣進(jìn)行測(cè)速，包括氣壓法、機(jī)械法與散熱率法等[4]。氣壓法通過測(cè)量全壓和靜壓的差值求得風(fēng)速，如皮托管式風(fēng)速傳感器和雙向微壓差計(jì)；機(jī)械法利用流體的動(dòng)壓推動(dòng)機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)求得風(fēng)速，如葉輪風(fēng)速儀；散熱率法根據(jù)流速與散熱率成對(duì)應(yīng)關(guān)系的原理，通過測(cè)量相等散熱量的時(shí)間，或溫度變化，或保持原溫度的加熱電流量的變化來確定風(fēng)速，如熱線、熱球風(fēng)速儀。
傳統(tǒng)的火災(zāi)煙氣測(cè)速采用的主要是以上列舉的幾類風(fēng)速測(cè)量?jī)x器。但是，由于火災(zāi)煙氣的特殊性質(zhì)，這幾種儀器在應(yīng)用過程中存在不同缺陷，尤其是經(jīng)建筑內(nèi)消防設(shè)施作用后，煙氣性質(zhì)發(fā)生變化，使得傳統(tǒng)方法具有明顯的不適用性。本文在對(duì)傳統(tǒng)儀器的原理及應(yīng)用缺陷進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，介紹了使用靶式流量計(jì)測(cè)量火災(zāi)煙氣流速的方法，并開展了水噴淋作用下自然排煙口的煙氣流速測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)該方法與傳統(tǒng)測(cè)量方法的有效性進(jìn)行了對(duì)比。
1 傳統(tǒng)的煙氣流速測(cè)量方法
據(jù)研究，在建筑火災(zāi)中，煙氣沿水平方向的流動(dòng)速度為0.3～0.8左右，沿垂直方向的擴(kuò)散速度為2～4[5]，屬于低速或極低速流動(dòng)。同時(shí)，煙氣有時(shí)可達(dá)數(shù)百攝氏度，具有中溫的特性。此外，煙氣中氣體成分復(fù)雜并含有大量的固體顆粒?？傊馂?zāi)煙氣是一種低速、多雜質(zhì)、高湍流度的氣體，若經(jīng)過水噴淋等消防設(shè)施的作用后，還可能具有高濕度的性質(zhì)并伴隨著一定腐蝕性。煙氣的性質(zhì)決定了其在速度測(cè)定上的困難性，使得傳統(tǒng)測(cè)速方法存在各自的不適用性。
1.1 皮托管、雙向微壓差計(jì)測(cè)速法
皮托管根據(jù)流體流動(dòng)引起的壓差進(jìn)行流速測(cè)定[4]。標(biāo)準(zhǔn)皮托管是一根彎成直角的金屬細(xì)管，它由感測(cè)頭、外管、內(nèi)管、管柱和全壓、靜壓引出導(dǎo)管等組成。如圖1（a），在皮托管頭部的頂端，迎著來流開有一個(gè)小孔，小孔平面與流體流動(dòng)方向垂直。在皮托管頭部靠下游的地方，環(huán)繞管壁的外側(cè)又開有多個(gè)小孔，孔面與流動(dòng)的方向相切。頂端的小孔與側(cè)面的小孔分別與兩條互不相通的管路相連。進(jìn)入頂端小孔的氣流壓力為全壓，而進(jìn)入皮托管側(cè)面小孔的氣流壓力僅為流體的靜壓，根據(jù)全壓和靜壓可求出動(dòng)壓，從而得到風(fēng)速。
通常情況下，皮托管是和微壓力傳感器聯(lián)用進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量的。管道連接好后，根據(jù)估算的壓力范圍選擇合適量程的皮托管，其全壓接頭接壓力傳感器的高壓端，靜壓接頭接壓力傳感器的低壓端[6]。當(dāng)流體流過皮托管頭部時(shí)，測(cè)得的壓差信號(hào)將傳給微壓力傳感器，并由傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。但是，當(dāng)前最靈敏的微壓力傳感器其精度也只有1，換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣流速約為1.25，皮托管無法測(cè)量低于此速度的流動(dòng)。同時(shí)，考慮到本身的測(cè)量誤差，皮托管的推薦最低風(fēng)速為4[4～6]。此外，皮托管只能用于相對(duì)潔凈的氣體，由于其靜壓孔尺寸較小，用于煙氣流速測(cè)量時(shí)極易被煙氣中的煙塵和水滴堵塞，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，顯然，皮托管不適于建筑火災(zāi)煙氣測(cè)速。
雙向微壓差計(jì)的測(cè)速原理與皮托管相似，如圖1（b），它由一段短管和兩根支管構(gòu)成，短管（長(zhǎng)徑比=2）中部被隔斷，形成兩個(gè)受壓管，管子的軸線與流向一致，兩根支管分別與受壓管相連。面向來流方向的受壓管受到的滯流壓力為總壓，另一受壓管感受的壓力為靜壓。支管用于傳遞壓力信號(hào)，也作為探頭的固定支架。由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，探頭可以響應(yīng)兩個(gè)方向中任一方向的流動(dòng)，這個(gè)特點(diǎn)允許其在不可預(yù)知流動(dòng)方向的情況下安裝[7]，并能測(cè)量雙向流動(dòng)。
用于火災(zāi)煙氣測(cè)速時(shí)，雙向微壓差計(jì)的缺陷與皮托管類似，一方面其最高精度只有1，理論上不能測(cè)量速度低于1的流動(dòng)。另一方面，煙氣中的固體顆粒和水滴有可能堵塞支管，影響信號(hào)傳輸。
1.2 葉輪風(fēng)速儀測(cè)速法
葉輪風(fēng)速儀由葉片、傳感器軸、傳感器支架及磁感應(yīng)線圈等組成[8]。它利用流動(dòng)空氣的動(dòng)能推動(dòng)傳感器的葉片旋轉(zhuǎn)，然后通過轉(zhuǎn)速求出流速。如圖2所示，測(cè)速時(shí)，將風(fēng)速儀探頭與來流方向垂直，葉片在來流的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)并由傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出到紀(jì)錄表進(jìn)行讀數(shù)。葉輪風(fēng)速儀屬于機(jī)械式測(cè)速設(shè)備，它不受重力的影響，可安裝在任何位置并通過葉輪的轉(zhuǎn)向識(shí)別氣體流向。葉輪風(fēng)速儀不像皮托管，測(cè)壓孔可能被煙氣中的顆粒堵塞而失去測(cè)速作用，可靠性高。但是，葉片的形狀和表面光潔度，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量以及轉(zhuǎn)子軸承的阻力均影響其測(cè)量性能。軸承阻力降低了儀器的靈敏度，目前，葉輪風(fēng)速儀的可測(cè)速度下限為1[4]。
葉片的材質(zhì)通常為ABS塑料，在接觸溫度較高且具有一定腐蝕性的火災(zāi)煙氣時(shí)極易損壞變形，因此，很少將葉輪風(fēng)速儀器用于火災(zāi)環(huán)境下的測(cè)速。此外，葉片受力還與氣流密度有關(guān)，常壓下，氣體密度隨溫度改變，因而當(dāng)被測(cè)流體密度與標(biāo)定流體不同時(shí)，必須對(duì)風(fēng)速儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償才能獲得正確的流速。但是過低或過高的溫度都可造成風(fēng)速儀探頭的損壞，使其工作溫度范圍很窄（通常為0～50℃），因而，在實(shí)際應(yīng)用中，極少對(duì)葉輪風(fēng)速儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償。使用不含溫度補(bǔ)償機(jī)制的葉輪風(fēng)速儀測(cè)量火災(zāi)煙氣的流速，當(dāng)煙氣溫度較高時(shí)，測(cè)量值將偏小。
1.3 熱線、熱球風(fēng)速儀測(cè)速法
熱線、熱球風(fēng)速儀以電熱絲（鎢絲或鉑絲）或球形玻璃體（電熱絲包裹在其內(nèi)部）為探頭（圖3），裸露在被測(cè)空氣中，并將熱絲接入惠斯頓電橋，通過電橋的電阻或電流的平衡關(guān)系，檢測(cè)出被測(cè)空氣的流速。測(cè)量時(shí)，電熱絲通恒定直流，氣流吹過熱絲或熱球表面時(shí)，將從其表面帶走熱量。當(dāng)產(chǎn)生的熱量和散失的熱量相等時(shí)，探頭就穩(wěn)定在某一溫度，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，通過測(cè)量探頭的溫度即可確定氣流的速度[4，9]。
與皮托管、雙向微壓差計(jì)和葉輪風(fēng)速儀相比，熱線、熱球風(fēng)速儀可測(cè)量更低的流速并能適應(yīng)有顆粒的氣流，但流速過低時(shí)，受到自然對(duì)流和輻射的作用的影響，測(cè)量值比實(shí)際值偏大，因此一般推薦氣流速度下限為1[9]。當(dāng)氣流溫度高于標(biāo)定流體的溫度時(shí)，需進(jìn)行溫度補(bǔ)償（圖3（a））。同時(shí)，此類風(fēng)速儀不能識(shí)別來流的方向，因此不能用于測(cè)量雙向流動(dòng)。此外，如圖3（a）所示，為了保護(hù)熱線或熱球不受雜質(zhì)的撞擊，在探頭外部通常會(huì)套上一層金屬濾網(wǎng)，在測(cè)量火災(zāi)煙氣時(shí)，固體顆粒會(huì)堵塞網(wǎng)孔，使得氣體無法流過探頭，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏低。
除了上述幾種較為常用的風(fēng)速儀外，還有激光多普勒測(cè)速儀[10]、超聲波旋渦式風(fēng)速儀[11]等氣體流速測(cè)量裝置，但這些裝置存在價(jià)格昂貴、安裝困難、使用不便等問題，不適于大型火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中煙氣流速的測(cè)量。
2 靶式流量計(jì)測(cè)速法
靶式流量計(jì)是為解決高粘度、低雷諾數(shù)的流量（流速）測(cè)量而發(fā)展起來的一種流量計(jì)。使用中，被測(cè)流體可以是液體、氣體和蒸汽，尤其對(duì)低雷諾數(shù)、小流量（低速）、高濕度、含固體顆粒以及腐蝕性介質(zhì)的流體有很強(qiáng)的適應(yīng)性。通過溫度補(bǔ)償，靶式流量計(jì)還能對(duì)中高溫的流體流速進(jìn)行測(cè)量。目前，該流量計(jì)被廣泛應(yīng)用于重油、瀝清、礦漿、有機(jī)酸、高溫蒸汽等的測(cè)量中[12，13]，但將其應(yīng)用于火災(zāi)煙氣流速的測(cè)量，還未見相關(guān)研究和文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。
2.1 靶式流量計(jì)的工作原理
如圖4所示，在流體流動(dòng)方向上放置一個(gè)圓盤形或正矩形的阻流靶板。當(dāng)流體流過靶板時(shí)，其正面所受的壓力等于流體的全壓，而背面由于形成“死水區(qū)”僅受靜壓的影響，從而使靶板前后形成一個(gè)壓力差，這個(gè)壓力差對(duì)靶面造成一個(gè)作用力：
式中，F(xiàn)為靶板受力；Cd為阻力系數(shù)；ρ為介質(zhì)密度；v為靶板平面上流體平均流速；A為靶板面積。由式（1）可得流體的體積流量為：
式中，k為為常系數(shù)；D為流動(dòng)區(qū)域截面直徑（圓形）或等效直徑（矩形）；β為靶徑比，即靶板直徑與D比值；α為流量系數(shù)（流量計(jì)信息網(wǎng)內(nèi)容圖片），與靶徑比β和雷諾數(shù)Re有關(guān)。大量實(shí)驗(yàn)表明，Re大于2000時(shí)，α保持為常數(shù)，若Re小于2000，流量計(jì)將自行對(duì)α進(jìn)行修正[12，13]。由式（2）可知，測(cè)出靶板受力F，即可計(jì)算過靶板的流量（流速）。靶板受力F，經(jīng)剛性連接的傳遞件（靶桿）傳至電容力傳感器，使其產(chǎn)生電壓信號(hào)輸出：
R=KF（3）
上式中：U為電容力傳感器輸出的電壓；K為電容應(yīng)變比例常數(shù)，此信號(hào)經(jīng)前置放大后輸出至數(shù)字積算儀進(jìn)行流量計(jì)算并讀數(shù)。
靶式流量計(jì)的靶板和靶桿均為鋁合金材質(zhì)，對(duì)高溫、高粘、高濕度、多雜質(zhì)、及強(qiáng)腐蝕性流體有極強(qiáng)的適應(yīng)性。此外，由于采用了高敏的電容式力傳感器，使得靶式流量計(jì)的靈敏度大大提高，配合加大靶板阻流面積的方法能使可測(cè)流速下限大大降低，理論上，靶式流量計(jì)可以測(cè)任意小的流體速度。靶式流量計(jì)屬機(jī)械式測(cè)速設(shè)備，通過溫度補(bǔ)償可測(cè)不同溫度、不同密度的流體。綜合以上優(yōu)點(diǎn)可知，當(dāng)火災(zāi)煙氣溫度較高、流速較低及顆粒物雜質(zhì)較多時(shí)，利用靶式流量計(jì)進(jìn)行測(cè)速有較強(qiáng)的可靠性。
但是，靶式流量計(jì)也存在缺陷。當(dāng)流速較低時(shí)，需要增加靶板面積以增大其作用力使傳感器達(dá)到響應(yīng)應(yīng)變。由于流量計(jì)測(cè)的是平均流速，若靶板面積過大，其上各點(diǎn)的速度梯度可能很大，從而影響了測(cè)量的精度。這個(gè)問題隨著傳感器靈敏度的增加已大大改善，目前，0.1的氣體（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）流速下限僅需0.05（直徑約0.12）的靶板阻流面積，已能滿足多數(shù)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的需要。另外，靶式流量計(jì)只能測(cè)一個(gè)方向的來流，當(dāng)流體從靶板背面流過時(shí)，流量計(jì)沒有讀數(shù)，使其只能用于已知流向的測(cè)速工作。但是，正是由于這樣的特性，使得靶式流量計(jì)在高湍流度、流動(dòng)變化大的流場(chǎng)當(dāng)中不會(huì)出現(xiàn)虛假讀數(shù)。
2.2 應(yīng)用實(shí)例
在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的水噴淋實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，分別利用靶式流量計(jì)、皮托管和中溫?zé)峋€風(fēng)速儀對(duì)噴淋作用下噴頭近域自然排煙口的煙氣流速（靶式流量計(jì)、中溫?zé)峋€風(fēng)速儀）和動(dòng)壓（皮托管）進(jìn)行測(cè)量。圖6為實(shí)驗(yàn)臺(tái)的示意圖，如圖6（a），實(shí)驗(yàn)臺(tái)分成兩個(gè)部分：燃燒區(qū)和測(cè)量區(qū)。燃燒區(qū)是一個(gè)4m（長(zhǎng)）×2m（寬）×2.5m（高）的長(zhǎng)方形小室，為了保證燃燒的穩(wěn)定和充分，小室的兩側(cè)設(shè)有6個(gè)補(bǔ)氣口，尺寸均為0.8m（長(zhǎng)）×0.4m（高）。燃燒區(qū)小室與測(cè)量區(qū)相連部分敞開，當(dāng)燃料在小室內(nèi)燃燒時(shí)，煙氣通過開口被引入到測(cè)量區(qū)中。測(cè)量區(qū)尺寸為4.2m（長(zhǎng)）×4.2m（寬）×4.0m（高），其上部蓄煙池由寬度為2.0m的防火板圍制而成，使得實(shí)驗(yàn)時(shí)能在測(cè)量區(qū)形成厚度約為2.0m的煙氣層。實(shí)驗(yàn)使用ZSTP—15標(biāo)準(zhǔn)普通型灑水噴頭，噴口直徑為12.7mm，安裝于測(cè)量區(qū)域頂部中央位置。
如圖6（b），排煙口位于測(cè)量區(qū)的頂部，為邊長(zhǎng)0.6m的正矩形，其中心距離噴頭0.7m。實(shí)驗(yàn)中，各風(fēng)速測(cè)量?jī)x器均置于排煙口上約10cm的位置，以避免噴淋液滴濺射到探頭，影響實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)采用的火源為0.8m正方形油盤，燃料為柴油，燃燒后，可得到約476kW的火源功率。
圖7為實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖，從圖中可以看出，由于煙氣流速較低，皮托管難以測(cè)得可靠的數(shù)據(jù)（圖7（a）），噴淋壓力增大，排煙口煙氣測(cè)值幾乎沒有變化，僅在某些時(shí)間點(diǎn)發(fā)生突躍。圖7（b）為中溫風(fēng)速儀的測(cè)量結(jié)果，噴淋開啟（50）后，煙氣流速降低，但不同噴淋壓力下測(cè)得的煙氣流速相當(dāng)接近，且沒有規(guī)律性。而靶式流量計(jì)的測(cè)速結(jié)果（圖7（c））則具有很好的規(guī)律性，噴淋開啟后，煙氣流速下降，隨著壓力的增大，下降幅度增加，當(dāng)壓力超過0.13，煙氣流速降為零，排煙口失去排煙的功能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能較好吻合。圖8為0.13作用時(shí)，噴淋前后排煙口煙氣流動(dòng)照片，如圖，噴淋前大量煙氣從排煙口流出，流量計(jì)探頭被淹沒其中，噴淋開啟后，排出煙氣迅速減少，流量計(jì)探頭清晰可見?？梢姡瑢?duì)這類低速、高濕度、多雜質(zhì)且流動(dòng)方向有可能發(fā)生突變的煙流進(jìn)行測(cè)速時(shí)，靶式流量計(jì)是一種很好的方法。
3 結(jié)論
火災(zāi)煙氣是一種中溫、低速、多雜質(zhì)的氣體，有時(shí)還具有高濕度及一定腐蝕性的特征，傳統(tǒng)的氣體流速測(cè)量方法用于火災(zāi)煙氣測(cè)速時(shí)存在不同的缺陷。本文從原理上對(duì)傳統(tǒng)測(cè)速方法在測(cè)量火災(zāi)煙氣流速上的缺陷進(jìn)行了分析，介紹了一種應(yīng)用靶式流量計(jì)測(cè)量火災(zāi)煙氣流速的新方法，并對(duì)其工作原理進(jìn)行了概述。通過水噴淋作用下的自然排煙實(shí)驗(yàn)證明，使用靶式流量計(jì)對(duì)低速、高濕度、多顆粒雜質(zhì)的火災(zāi)煙氣進(jìn)行測(cè)速，其結(jié)果較皮托管和中溫?zé)峋€風(fēng)速儀更具規(guī)律性，可靠度更高?？傊?，由于采用了高靈敏度的電容式傳感器且其探頭（靶板）具有廣泛的適用性，靶式流量計(jì)應(yīng)能滿足多種火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的需要。