靶式流量計在火災煙氣流速測量中的應用
煙氣流速是火災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速，如皮托管式風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求得風速，如葉輪風速儀；散熱率法根據(jù)流速與散熱率成對應關系的原理，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速，如熱線、熱球風速儀。
傳統(tǒng)的火災煙氣測速采用的主要是以上列舉的幾類風速測量儀器。但是，由于火災煙氣的特殊性質，這幾種儀器在應用過程中存在不同缺陷，尤其是經(jīng)建筑內消防設施作用后，煙氣性質發(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)儀器的原理及應用缺陷進行分析的基礎上，介紹了使用靶式流量計測量火災煙氣流速的方法，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，煙氣有時可達數(shù)百攝氏度，具有中溫的特性。此外，煙氣中氣體成分復雜并含有大量的固體顆粒?？傊?，火災煙氣是一種低速、多雜質、高湍流度的氣體，若經(jīng)過水噴淋等消防設施的作用后，還可能具有高濕度的性質并伴隨著一定腐蝕性。煙氣的性質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行流速測定[4]。標準皮托管是一根彎成直角的金屬細管，它由感測頭、外管、內管、管柱和全壓、靜壓引出導管等組成。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)繞管壁的外側又開有多個小孔，孔面與流動的方向相切。頂端的小孔與側面的小孔分別與兩條互不相通的管路相連。進入頂端小孔的氣流壓力為全壓，而進入皮托管側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，從而得到風速。
通常情況下，皮托管是和微壓力傳感器聯(lián)用進行風速測量的。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，并由傳感器轉化為電信號輸出。但是，當前最靈敏的微壓力傳感器其精度也只有1，換算成標準狀態(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，從而影響測量結果的準確度，顯然，皮托管不適于建筑火災煙氣測速。
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。由于其結構的對稱性，探頭可以響應兩個方向中任一方向的流動，這個特點允許其在不可預知流動方向的情況下安裝[7]，并能測量雙向流動。
用于火災煙氣測速時，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 葉輪風速儀測速法
葉輪風速儀由葉片、傳感器軸、傳感器支架及磁感應線圈等組成[8]。它利用流動空氣的動能推動傳感器的葉片旋轉，然后通過轉速求出流速。如圖2所示，測速時，將風速儀探頭與來流方向垂直，葉片在來流的作用下轉動并由傳感器將轉速信號輸出到紀錄表進行讀數(shù)。葉輪風速儀屬于機械式測速設備，它不受重力的影響，可安裝在任何位置并通過葉輪的轉向識別氣體流向。葉輪風速儀不像皮托管，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，轉子的質量以及轉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，葉輪風速儀的可測速度下限為1[4]。
葉片的材質通常為ABS塑料，在接觸溫度較高且具有一定腐蝕性的火災煙氣時極易損壞變形，因此，很少將葉輪風速儀器用于火災環(huán)境下的測速。此外，葉片受力還與氣流密度有關，常壓下，氣體密度隨溫度改變，因而當被測流體密度與標定流體不同時，必須對風速儀進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，在實際應用中，極少對葉輪風速儀進行溫度補償。使用不含溫度補償機制的葉輪風速儀測量火災煙氣的流速，當煙氣溫度較高時，測量值將偏小。
1.3 熱線、熱球風速儀測速法
熱線、熱球風速儀以電熱絲（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。當產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速儀相比，熱線、熱球風速儀可測量更低的流速并能適應有顆粒的氣流，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]。當氣流溫度高于標定流體的溫度時，需進行溫度補償（圖3（a））。同時，此類風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，為了保護熱線或熱球不受雜質的撞擊，在探頭外部通常會套上一層金屬濾網(wǎng)，在測量火災煙氣時，固體顆粒會堵塞網(wǎng)孔，使得氣體無法流過探頭，導致測量結果偏低。
除了上述幾種較為常用的風速儀外，還有激光多普勒測速儀[10]、超聲波旋渦式風速儀[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的流體有很強的適應性。通過溫度補償，靶式流量計還能對中高溫的流體流速進行測量。目前，該流量計被廣泛應用于重油、瀝清、礦漿、有機酸、高溫蒸汽等的測量中[12，13]，但將其應用于火災煙氣流速的測量，還未見相關研究和文獻報導。
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)內容圖片），與靶徑比β和雷諾數(shù)Re有關。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，對高溫、高粘、高濕度、多雜質、及強腐蝕性流體有極強的適應性。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，當火災煙氣溫度較高、流速較低及顆粒物雜質較多時，利用靶式流量計進行測速有較強的可靠性。
但是，靶式流量計也存在缺陷。當流速較低時，需要增加靶板面積以增大其作用力使傳感器達到響應應變。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（標準狀態(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)火災實驗的需要。另外，靶式流量計只能測一個方向的來流，當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中不會出現(xiàn)虛假讀數(shù)。
2.2 應用實例
在中國科學技術大學的水噴淋實驗臺上，分別利用靶式流量計、皮托管和中溫熱線風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、中溫熱線風速儀）和動壓（皮托管）進行測量。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，小室的兩側設有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，當燃料在小室內燃燒時，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標準普通型灑水噴頭，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）為中溫風速儀的測量結果，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接近，且沒有規(guī)律性。而靶式流量計的測速結果（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?？梢姡瑢@類低速、高濕度、多雜質且流動方向有可能發(fā)生突變的煙流進行測速時，靶式流量計是一種很好的方法。
3 結論
火災煙氣是一種中溫、低速、多雜質的氣體，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煙氣流速上的缺陷進行了分析，介紹了一種應用靶式流量計測量火災煙氣流速的新方法，并對其工作原理進行了概述。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、多顆粒雜質的火災煙氣進行測速，其結果較皮托管和中溫熱線風速儀更具規(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，靶式流量計應能滿足多種火災實驗的需要。