靶式流量計在火災(zāi)煙氣流速測量中的應(yīng)用
煙氣流速是火災(zāi)研究中的一個重要參數(shù)。目前，主要采用測量氣體流速的方法對煙氣進(jìn)行測速，包括氣壓法、機械法與散熱率法等[4]。氣壓法通過測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；機械法利用流體的動壓推動機械裝置旋轉(zhuǎn)求得風(fēng)速，如葉輪風(fēng)速儀；散熱率法根據(jù)流速與散熱率成對應(yīng)關(guān)系的原理，通過測量相等散熱量的時間，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)煙氣測速采用的主要是以上列舉的幾類風(fēng)速測量儀器。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測量火災(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試實驗，對該方法與傳統(tǒng)測量方法的有效性進(jìn)行了對比。
1 傳統(tǒng)的煙氣流速測量方法
據(jù)研究，在建筑火災(zāi)中，煙氣沿水平方向的流動速度為0.3～0.8左右，沿垂直方向的擴散速度為2～4[5]，屬于低速或極低速流動。同時，煙氣有時可達(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?，火災(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)決定了其在速度測定上的困難性，使得傳統(tǒng)測速方法存在各自的不適用性。
1.1 皮托管、雙向微壓差計測速法
皮托管根據(jù)流體流動引起的壓差進(jìn)行流速測定[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，迎著來流開有一個小孔，小孔平面與流體流動方向垂直。在皮托管頭部靠下游的地方，環(huán)繞管壁的外側(cè)又開有多個小孔，孔面與流動的方向相切。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，測得的壓差信號將傳給微壓力傳感器，并由傳感器轉(zhuǎn)化為電信號輸出。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，皮托管無法測量低于此速度的流動。同時，考慮到本身的測量誤差，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潔凈的氣體，由于其靜壓孔尺寸較小，用于煙氣流速測量時極易被煙氣中的煙塵和水滴堵塞，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，顯然，皮托管不適于建筑火災(zāi)煙氣測速。
雙向微壓差計的測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（長徑比=2）中部被隔斷，形成兩個受壓管，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，也作為探頭的固定支架。由于其結(jié)構(gòu)的對稱性，探頭可以響應(yīng)兩個方向中任一方向的流動，這個特點允許其在不可預(yù)知流動方向的情況下安裝[7]，并能測量雙向流動。
用于火災(zāi)煙氣測速時，雙向微壓差計的缺陷與皮托管類似，一方面其最高精度只有1，理論上不能測量速度低于1的流動。另一方面，煙氣中的固體顆粒和水滴有可能堵塞支管，影響信號傳輸。
1.2 葉輪風(fēng)速儀測速法
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]。它利用流動空氣的動能推動傳感器的葉片旋轉(zhuǎn)，然后通過轉(zhuǎn)速求出流速。如圖2所示，測速時，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)動并由傳感器將轉(zhuǎn)速信號輸出到紀(jì)錄表進(jìn)行讀數(shù)。葉輪風(fēng)速儀屬于機械式測速設(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)向識別氣體流向。葉輪風(fēng)速儀不像皮托管，測壓孔可能被煙氣中的顆粒堵塞而失去測速作用，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)被測流體密度與標(biāo)定流體不同時，必須對風(fēng)速儀進(jìn)行溫度補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，在實際應(yīng)用中，極少對葉輪風(fēng)速儀進(jìn)行溫度補償。使用不含溫度補償機制的葉輪風(fēng)速儀測量火災(zāi)煙氣的流速，當(dāng)煙氣溫度較高時，測量值將偏小。
1.3 熱線、熱球風(fēng)速儀測速法
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，檢測出被測空氣的流速。測量時，電熱絲通恒定直流，氣流吹過熱絲或熱球表面時，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，探頭就穩(wěn)定在某一溫度，達(dá)到動態(tài)平衡，通過測量探頭的溫度即可確定氣流的速度[4，9]。
與皮托管、雙向微壓差計和葉輪風(fēng)速儀相比，熱線、熱球風(fēng)速儀可測量更低的流速并能適應(yīng)有顆粒的氣流，但流速過低時，受到自然對流和輻射的作用的影響，測量值比實際值偏大，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，需進(jìn)行溫度補償（圖3（a））。同時，此類風(fēng)速儀不能識別來流的方向，因此不能用于測量雙向流動。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，在探頭外部通常會套上一層金屬濾網(wǎng)，在測量火災(zāi)煙氣時，固體顆粒會堵塞網(wǎng)孔，使得氣體無法流過探頭，導(dǎo)致測量結(jié)果偏低。
除了上述幾種較為常用的風(fēng)速儀外，還有激光多普勒測速儀[10]、超聲波旋渦式風(fēng)速儀[11]等氣體流速測量裝置，但這些裝置存在價格昂貴、安裝困難、使用不便等問題，不適于大型火災(zāi)實驗中煙氣流速的測量。
2 靶式流量計測速法
靶式流量計是為解決高粘度、低雷諾數(shù)的流量（流速）測量而發(fā)展起來的一種流量計。使用中，被測流體可以是液體、氣體和蒸汽，尤其對低雷諾數(shù)、小流量（低速）、高濕度、含固體顆粒以及腐蝕性介質(zhì)的流體有很強的適應(yīng)性。通過溫度補償，靶式流量計還能對中高溫的流體流速進(jìn)行測量。目前，該流量計被廣泛應(yīng)用于重油、瀝清、礦漿、有機酸、高溫蒸汽等的測量中[12，13]，但將其應(yīng)用于火災(zāi)煙氣流速的測量，還未見相關(guān)研究和文獻(xiàn)報導(dǎo)。
2.1 靶式流量計的工作原理
如圖4所示，在流體流動方向上放置一個圓盤形或正矩形的阻流靶板。當(dāng)流體流過靶板時，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壓力差，這個壓力差對靶面造成一個作用力：
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)。大量實驗表明，Re大于2000時，α保持為常數(shù)，若Re小于2000，流量計將自行對α進(jìn)行修正[12，13]。由式（2）可知，測出靶板受力F，即可計算過靶板的流量（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)，此信號經(jīng)前置放大后輸出至數(shù)字積算儀進(jìn)行流量計算并讀數(shù)。
靶式流量計的靶板和靶桿均為鋁合金材質(zhì)，對高溫、高粘、高濕度、多雜質(zhì)、及強腐蝕性流體有極強的適應(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流速下限大大降低，理論上，靶式流量計可以測任意小的流體速度。靶式流量計屬機械式測速設(shè)備，通過溫度補償可測不同溫度、不同密度的流體。綜合以上優(yōu)點可知，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，利用靶式流量計進(jìn)行測速有較強的可靠性。
但是，靶式流量計也存在缺陷。當(dāng)流速較低時，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。由于流量計測的是平均流速，若靶板面積過大，其上各點的速度梯度可能很大，從而影響了測量的精度。這個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)實驗的需要。另外，靶式流量計只能測一個方向的來流，當(dāng)流體從靶板背面流過時，流量計沒有讀數(shù)，使其只能用于已知流向的測速工作。但是，正是由于這樣的特性，使得靶式流量計在高湍流度、流動變化大的流場當(dāng)中不會出現(xiàn)虛假讀數(shù)。
2.2 應(yīng)用實例
在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的水噴淋實驗臺上，分別利用靶式流量計、皮托管和中溫?zé)峋€風(fēng)速儀對噴淋作用下噴頭近域自然排煙口的煙氣流速（靶式流量計、中溫?zé)峋€風(fēng)速儀）和動壓（皮托管）進(jìn)行測量。圖6為實驗臺的示意圖，如圖6（a），實驗臺分成兩個部分：燃燒區(qū)和測量區(qū)。燃燒區(qū)是一個4m（長）×2m（寬）×2.5m（高）的長方形小室，為了保證燃燒的穩(wěn)定和充分，小室的兩側(cè)設(shè)有6個補氣口，尺寸均為0.8m（長）×0.4m（高）。燃燒區(qū)小室與測量區(qū)相連部分敞開，當(dāng)燃料在小室內(nèi)燃燒時，煙氣通過開口被引入到測量區(qū)中。測量區(qū)尺寸為4.2m（長）×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，使得實驗時能在測量區(qū)形成厚度約為2.0m的煙氣層。實驗使用ZSTP—15標(biāo)準(zhǔn)普通型灑水噴頭，噴口直徑為12.7mm，安裝于測量區(qū)域頂部中央位置。
如圖6（b），排煙口位于測量區(qū)的頂部，為邊長0.6m的正矩形，其中心距離噴頭0.7m。實驗中，各風(fēng)速測量儀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，影響實驗效果。實驗采用的火源為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為實驗結(jié)果曲線圖，從圖中可以看出，由于煙氣流速較低，皮托管難以測得可靠的數(shù)據(jù)（圖7（a）），噴淋壓力增大，排煙口煙氣測值幾乎沒有變化，僅在某些時間點發(fā)生突躍。圖7（b）為中溫風(fēng)速儀的測量結(jié)果，噴淋開啟（50）后，煙氣流速降低，但不同噴淋壓力下測得的煙氣流速相當(dāng)接近，且沒有規(guī)律性。而靶式流量計的測速結(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，實驗結(jié)果與現(xiàn)場觀察到的實驗現(xiàn)象能較好吻合。圖8為0.13作用時，噴淋前后排煙口煙氣流動照片，如圖，噴淋前大量煙氣從排煙口流出，流量計探頭被淹沒其中，噴淋開啟后，排出煙氣迅速減少，流量計探頭清晰可見?？梢?，對這類低速、高濕度、多雜質(zhì)且流動方向有可能發(fā)生突變的煙流進(jìn)行測速時，靶式流量計是一種很好的方法。
3 結(jié)論
火災(zāi)煙氣是一種中溫、低速、多雜質(zhì)的氣體，有時還具有高濕度及一定腐蝕性的特征，傳統(tǒng)的氣體流速測量方法用于火災(zāi)煙氣測速時存在不同的缺陷。本文從原理上對傳統(tǒng)測速方法在測量火災(zāi)煙氣流速上的缺陷進(jìn)行了分析，介紹了一種應(yīng)用靶式流量計測量火災(zāi)煙氣流速的新方法，并對其工作原理進(jìn)行了概述。通過水噴淋作用下的自然排煙實驗證明，使用靶式流量計對低速、高濕度、多顆粒雜質(zhì)的火災(zāi)煙氣進(jìn)行測速，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?？傊捎诓捎昧烁哽`敏度的電容式傳感器且其探頭（靶板）具有廣泛的適用性，靶式流量計應(yīng)能滿足多種火災(zāi)實驗的需要。