《Case Studies in Thermal Engineering》：Effect of Droplet Size Evolution and Distribution of Water Mist on the Thermal Radiation Attenuation
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為明確水霧在輻射防護中液滴尺寸演化與分布的耦合影響，本研究利用高精度陰影成像，探討了不同噴嘴壓力與輻射板溫度下的水霧液滴演化機制，揭示了蒸發與聚并的主導機制轉變規律及其對熱輻射衰減(TRA)的影響，為優化水霧熱防護與滅火技術提供了理論與實驗依據。
在眾多火災防護與工業安全場景中，水霧系統以其高效、環保的特性，成為撲滅火焰、降低熱輻射危害的重要屏障。尤其在面對熾熱火源時，一道由無數微細水滴組成的“霧簾”能夠有效吸收和散射熱輻射，保護后方的人員、設備和建筑結構。然而，這道看似簡單的屏障，其防護效能并非一成不變。水霧從噴嘴噴出后，其液滴的大小、速度、數量分布會隨著飛行距離、環境溫度以及噴射壓力發生復雜的變化——有的液滴會相互碰撞融合變大，有的則會受熱蒸發變小。這些微觀的液滴演化過程，究竟如何影響水霧整體屏蔽熱輻射的能力？在高壓和低壓噴射下，液滴的“生長”與“消失”規律有何不同？面對不同溫度的熱源，水霧的防護效果又會怎樣變化？這些問題至今尚未被充分闡明，限制了水霧技術在極端熱輻射環境下的精準應用與優化。
為了深入探究上述問題，來自中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室的研究團隊展開了一項細致的研究。他們利用高精度陰影成像系統，結合可控溫的非發光輻射板，系統研究了在不同噴嘴壓力（1 MPa代表低壓，5 MPa代表高壓）和不同輻射板溫度（代表環境熱條件，如250°C和450°C）下，密集水霧核心區域液滴尺寸的演化、分布及其對熱輻射衰減性能的影響。這項研究近期發表在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊上，旨在揭示壓力與輻射溫度耦合作用下液滴動力學機制，為發展高效的水霧熱輻射防護與滅火技術提供新的理論見解和實驗基礎。
為了完成這項研究，作者主要采用了以下幾項關鍵技術方法：首先，搭建了一套可控溫的室內實驗系統，包括一個帶有溫控電熱輻射板的實驗艙、一個可移動的變壓水霧生成系統（使用單個全錐形噴嘴）以及一套Lavision Particle-Master Shadow陰影成像系統，用于高精度捕捉和測量液滴的尺寸、速度和分布。其次，利用水冷式輻射熱流計和熱電偶，沿水霧下落路徑的視線方向測量了穿過水霧的熱輻射通量以及水霧下方的溫度，從而計算熱輻射衰減率。再次，對陰影圖像進行后處理，通過軟件分析獲取特征液滴尺寸（如Sauter平均直徑D32和體積中值直徑DV50）和液滴速度的演變數據。最后，基于經典的D2蒸發定律和液滴運動方程，建立了一個簡化的理論模型，用于描述耦合了蒸發和聚并效應的液滴尺寸隨距離的演化，并與實驗結果進行了對比驗證。
研究結果部分主要包括以下幾個方面：
3.1. 非熱條件下的水霧流動
研究首先在無輻射加熱的正常條件下，分析了水霧的流動特性。測量了距噴嘴下方1米處的通量密度分布，確認了全錐形噴嘴的噴霧形態。通過陰影成像技術獲取了液滴速度分布，發現液滴在噴嘴出口附近速度最高，隨后由于空氣阻力迅速減速，在大約200毫米后趨于穩定。高壓力（5 MPa）產生的液滴初始速度更高、尺寸更小。高速圖像分析清晰地捕捉到了液滴間的碰撞和聚并過程，為后續分析液滴演化機制提供了直觀證據。
3.2. 熱輻射下的水霧
這是研究的核心部分。團隊系統測量了在不同輻射板溫度下，水霧的蒸發質量損失率、水霧下方溫度以及特征液滴尺寸沿軸向距離的演變。
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液滴尺寸演化：研究發現，在無熱條件下，液滴尺寸的增長主要由聚并主導。而在熱輻射下，蒸發和聚并機制同時存在，且壓力決定了哪種機制占主導。具體而言：在低壓（1 MPa）下，液滴機制經歷了從“蒸發主導”到“蒸發與聚并結合”的轉變；而在高壓（5 MPa）下，機制序列恰好相反，先是“聚并主導”，隨后轉為“蒸發主導”。研究基于特征液滴尺寸和尺寸方差分布參數，確定了一個“輻射驅動的臨界距離”，超過此距離，主導機制發生改變。
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尺寸分布：通過分析液滴尺寸的對數正態分布擬合，獲得了分布寬度參數σ。結果顯示，壓力和溫度顯著影響了尺寸分布的均勻性。低壓條件在高溫下尺寸分布更寬，而高壓條件產生的噴霧尺寸分布更窄、更均勻。
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質量損失與溫度：正如預期，高壓和高輻射溫度條件導致了更高的蒸發質量損失率。水霧下方的溫度測量也表明，輻射加熱對水霧溫度場產生了影響。
3.3. 熱輻射下的液滴輻射散射與熱輻射衰減
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輻射散射特性：利用Mie散射理論計算了單個液滴的反照率和不對稱因子。結果表明，在研究的紅外波長范圍內，液滴的反照率（散射占比）隨波長增加呈非單調下降，不對稱因子表明散射強烈偏向于前向。這些光學特性與液滴尺寸密切相關。
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熱輻射衰減性能：實驗測量了水霧對熱輻射的衰減能力。總體而言，熱輻射衰減隨著穿過水霧的路徑長度增加而增加。高壓產生的水霧由于其初始液滴更小、數量密度可能更高，在靠近噴嘴區域往往表現出更高的衰減率。輻射板溫度的升高雖然增加了入射熱流，但對衰減率的相對影響在本研究溫度范圍內不如壓力影響顯著。通過比爾-朗伯定律計算了水霧的光學厚度和透射率，發現低壓水霧在較大下落距離處更快地達到“光學厚”狀態，從而導致更高的熱輻射衰減。
結論與討論
本研究通過系統的實驗和理論分析，揭示了噴嘴壓力與環境輻射溫度對水霧液滴演化及熱輻射衰減性能的耦合影響機制。主要結論可歸納為：
- 1.
液滴演化機制受壓力與距離調控：在無熱條件下，液滴增長由聚并主導。在熱輻射下，低壓噴霧初始以蒸發為主，下游轉變為蒸發與聚并結合；高壓噴霧則初始以聚并為主，下游蒸發作用增強。壓力決定了蒸發與聚并這兩種競爭機制的演變序列。
- 2.
存在輻射驅動的臨界距離：研究首次基于特征液滴尺寸和分布參數，識別了一個臨界距離。此距離標志著液滴主導演化機制的轉變點，為理解水霧在熱場中的行為提供了關鍵的空間尺度。
- 3.
理論模型有效預測液滴行為：建立的簡化理論方程成功復現了液滴尺寸和速度的演化趨勢，揭示了尺寸隨距離變化所引發的耦合機制，為模型預測提供了工具。
- 4.
熱輻射衰減性能受多因素影響：水霧的熱輻射防護性能顯著受輻射板溫度影響，進而改變熱輻射衰減率。噴霧壓力通過控制初始液滴尺寸、分布和光學厚度，對衰減性能具有基礎性影響。較高的壓力通常能產生更細密、光學厚度更大的水霧，提升近場的衰減能力。
這項研究的意義在于，它將液滴尺度的微觀演化機制與水霧宏觀的熱輻射防護性能直接關聯起來。所發現的壓力依賴性液滴動力學和臨界距離概念，加深了人們對水霧在熱輻射場中復雜行為的理解。這些發現不僅為優化水霧滅火系統（尤其是在熱輻射強烈影響的近場區域）的設計和操作提供了物理依據和理論指導，也對水霧在工業冷卻、氣溶膠清除等其他領域的輻射防護應用具有重要的參考價值。未來的研究可以進一步拓展到更高的輻射溫度、更復雜的噴嘴陣列以及實際火場環境，以推動水霧技術向著更高效、更智能的方向發展。
