水雾液滴演化与分布对热辐射衰减的影响：喷嘴压力与辐射温度的耦合机制

《Case Studies in Thermal Engineering》：Effect of Droplet Size Evolution and Distribution of Water Mist on the Thermal Radiation Attenuation

为明确水雾在辐射防护中液滴尺寸演化与分布的耦合影响，本研究利用高精度阴影成像，探讨了不同喷嘴压力与辐射板温度下的水雾液滴演化机制，揭示了蒸发与聚并的主导机制转变规律及其对热辐射衰减(TRA)的影响，为优化水雾热防护与灭火技术提供了理论与实验依据。

　　

在众多火灾防护与工业安全场景中，水雾系统以其高效、环保的特性，成为扑灭火焰、降低热辐射危害的重要屏障。尤其在面对炽热火源时，一道由无数微细水滴组成的“雾帘”能够有效吸收和散射热辐射，保护后方的人员、设备和建筑结构。然而，这道看似简单的屏障，其防护效能并非一成不变。水雾从喷嘴喷出后，其液滴的大小、速度、数量分布会随着飞行距离、环境温度以及喷射压力发生复杂的变化——有的液滴会相互碰撞融合变大，有的则会受热蒸发变小。这些微观的液滴演化过程，究竟如何影响水雾整体屏蔽热辐射的能力？在高压和低压喷射下，液滴的“生长”与“消失”规律有何不同？面对不同温度的热源，水雾的防护效果又会怎样变化？这些问题至今尚未被充分阐明，限制了水雾技术在极端热辐射环境下的精准应用与优化。

为了深入探究上述问题，来自中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的研究团队展开了一项细致的研究。他们利用高精度阴影成像系统，结合可控温的非发光辐射板，系统研究了在不同喷嘴压力（1 MPa代表低压，5 MPa代表高压）和不同辐射板温度（代表环境热条件，如250°C和450°C）下，密集水雾核心区域液滴尺寸的演化、分布及其对热辐射衰减性能的影响。这项研究近期发表在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊上，旨在揭示压力与辐射温度耦合作用下液滴动力学机制，为发展高效的水雾热辐射防护与灭火技术提供新的理论见解和实验基础。

为了完成这项研究，作者主要采用了以下几项关键技术方法：首先，搭建了一套可控温的室内实验系统，包括一个带有温控电热辐射板的实验舱、一个可移动的变压水雾生成系统（使用单个全锥形喷嘴）以及一套Lavision Particle-Master Shadow阴影成像系统，用于高精度捕捉和测量液滴的尺寸、速度和分布。其次，利用水冷式辐射热流计和热电偶，沿水雾下落路径的视线方向测量了穿过水雾的热辐射通量以及水雾下方的温度，从而计算热辐射衰减率。再次，对阴影图像进行后处理，通过软件分析获取特征液滴尺寸（如Sauter平均直径D₃₂和体积中值直径D_V50）和液滴速度的演变数据。最后，基于经典的D²蒸发定律和液滴运动方程，建立了一个简化的理论模型，用于描述耦合了蒸发和聚并效应的液滴尺寸随距离的演化，并与实验结果进行了对比验证。

研究结果部分主要包括以下几个方面：

3.1. 非热条件下的水雾流动

研究首先在无辐射加热的正常条件下，分析了水雾的流动特性。测量了距喷嘴下方1米处的通量密度分布，确认了全锥形喷嘴的喷雾形态。通过阴影成像技术获取了液滴速度分布，发现液滴在喷嘴出口附近速度最高，随后由于空气阻力迅速减速，在大约200毫米后趋于稳定。高压力（5 MPa）产生的液滴初始速度更高、尺寸更小。高速图像分析清晰地捕捉到了液滴间的碰撞和聚并过程，为后续分析液滴演化机制提供了直观证据。

3.2. 热辐射下的水雾

这是研究的核心部分。团队系统测量了在不同辐射板温度下，水雾的蒸发质量损失率、水雾下方温度以及特征液滴尺寸沿轴向距离的演变。

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  液滴尺寸演化：研究发现，在无热条件下，液滴尺寸的增长主要由聚并主导。而在热辐射下，蒸发和聚并机制同时存在，且压力决定了哪种机制占主导。具体而言：在低压（1 MPa）下，液滴机制经历了从“蒸发主导”到“蒸发与聚并结合”的转变；而在高压（5 MPa）下，机制序列恰好相反，先是“聚并主导”，随后转为“蒸发主导”。研究基于特征液滴尺寸和尺寸方差分布参数，确定了一个“辐射驱动的临界距离”，超过此距离，主导机制发生改变。
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  尺寸分布：通过分析液滴尺寸的对数正态分布拟合，获得了分布宽度参数σ。结果显示，压力和温度显著影响了尺寸分布的均匀性。低压条件在高温下尺寸分布更宽，而高压条件产生的喷雾尺寸分布更窄、更均匀。
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  质量损失与温度：正如预期，高压和高辐射温度条件导致了更高的蒸发质量损失率。水雾下方的温度测量也表明，辐射加热对水雾温度场产生了影响。

3.3. 热辐射下的液滴辐射散射与热辐射衰减

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  辐射散射特性：利用Mie散射理论计算了单个液滴的反照率和不对称因子。结果表明，在研究的红外波长范围内，液滴的反照率（散射占比）随波长增加呈非单调下降，不对称因子表明散射强烈偏向于前向。这些光学特性与液滴尺寸密切相关。
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  热辐射衰减性能：实验测量了水雾对热辐射的衰减能力。总体而言，热辐射衰减随着穿过水雾的路径长度增加而增加。高压产生的水雾由于其初始液滴更小、数量密度可能更高，在靠近喷嘴区域往往表现出更高的衰减率。辐射板温度的升高虽然增加了入射热流，但对衰减率的相对影响在本研究温度范围内不如压力影响显著。通过比尔-朗伯定律计算了水雾的光学厚度和透射率，发现低压水雾在较大下落距离处更快地达到“光学厚”状态，从而导致更高的热辐射衰减。

结论与讨论

本研究通过系统的实验和理论分析，揭示了喷嘴压力与环境辐射温度对水雾液滴演化及热辐射衰减性能的耦合影响机制。主要结论可归纳为：

1. 1.
   液滴演化机制受压力与距离调控：在无热条件下，液滴增长由聚并主导。在热辐射下，低压喷雾初始以蒸发为主，下游转变为蒸发与聚并结合；高压喷雾则初始以聚并为主，下游蒸发作用增强。压力决定了蒸发与聚并这两种竞争机制的演变序列。
2. 2.
   存在辐射驱动的临界距离：研究首次基于特征液滴尺寸和分布参数，识别了一个临界距离。此距离标志着液滴主导演化机制的转变点，为理解水雾在热场中的行为提供了关键的空间尺度。
3. 3.
   理论模型有效预测液滴行为：建立的简化理论方程成功复现了液滴尺寸和速度的演化趋势，揭示了尺寸随距离变化所引发的耦合机制，为模型预测提供了工具。
4. 4.
   热辐射衰减性能受多因素影响：水雾的热辐射防护性能显著受辐射板温度影响，进而改变热辐射衰减率。喷雾压力通过控制初始液滴尺寸、分布和光学厚度，对衰减性能具有基础性影响。较高的压力通常能产生更细密、光学厚度更大的水雾，提升近场的衰减能力。

这项研究的意义在于，它将液滴尺度的微观演化机制与水雾宏观的热辐射防护性能直接关联起来。所发现的压力依赖性液滴动力学和临界距离概念，加深了人们对水雾在热辐射场中复杂行为的理解。这些发现不仅为优化水雾灭火系统（尤其是在热辐射强烈影响的近场区域）的设计和操作提供了物理依据和理论指导，也对水雾在工业冷却、气溶胶清除等其他领域的辐射防护应用具有重要的参考价值。未来的研究可以进一步拓展到更高的辐射温度、更复杂的喷嘴阵列以及实际火场环境，以推动水雾技术向着更高效、更智能的方向发展。