综述：惰性气体对Novec 1230和2-BTP过压现象的优化效果及其作用机制

《Fuel》：The optimization effect and mechanism of inert gases on the overpressure phenomenon of Novec 1230 and 2-BTP

惰性气体（N?/CO?）可优化Novec 1230和2-BTP的过压现象，CO?在贫燃条件下（3%浓度）使峰值压力降低11.27%-19.01%，其协同效应源于物理稀释和化学抑制自由基链反应的双重机制。实验与模拟结合揭示了惰性气体通过抑制O?消耗、降低总气体体积及抑制绝热温升实现过压优化，其中CO?的化学抑制效果优于N?。

　　在当今对环境和安全问题日益关注的背景下，新型灭火剂的研发和应用成为了一个重要的研究方向。传统灭火剂如“哈龙”家族因其对臭氧层的破坏潜力以及对全球变暖的显著贡献，已被国际协议如《蒙特利尔议定书》逐步淘汰。因此，寻找具有优异灭火性能且对环境影响较小的替代品成为迫切需求。Novec 1230 和 2-BTP 是近年来被广泛研究的潜在替代灭火剂，它们在灭火效率和环境友好性方面表现突出，但同时也伴随着一些问题，如在灭火过程中可能引发的过压现象。过压现象在封闭空间如飞机货舱和舰船内部可能造成严重的结构损坏，因此对这些灭火剂的优化研究显得尤为重要。

本研究的核心目标是探讨惰性气体（如氮气和二氧化碳）对 Novec 1230 和 2-BTP 引发的过压现象的优化效果及其作用机制。通过实验和模拟计算相结合的方法，研究者对不同等效比（从贫燃到富燃）下的灭火剂与惰性气体混合后的过压情况进行了系统分析。实验结果显示，当等效比为 0.6（即贫燃条件）且 Novec 1230 浓度为 3% 时，添加 5% 和 10% 的二氧化碳分别使峰值压力降低了 11.27% 和 19.01%。这表明二氧化碳在降低过压方面表现出更强的抑制能力。同时，研究还发现氮气和二氧化碳在一定程度上有效降低了由 Novec 1230 和 2-BTP 引起的绝热温度升高和热释放速率的增加，并且能够减少这两种灭火剂对整体化学反应速率和链式自由基（如 H、O、OH）浓度的促进作用。这表明惰性气体不仅通过物理稀释效应，还可能通过化学抑制作用对灭火过程产生积极影响。

此外，研究还揭示了惰性气体在缓解氧气消耗和减少总气体体积方面的作用。由于 2-BTP 不直接参与氧气消耗反应，因此它在与惰性气体混合时，其对总气体体积的增加影响相对较小。相比之下，Novec 1230 由于其燃料特性，更容易导致氧气的大量消耗和总气体体积的显著增加，从而加剧过压现象。因此，在贫燃条件下，Novec 1230 对惰性气体的优化效果更为敏感，这为优化灭火剂配方提供了重要依据。

为了更深入地理解二氧化碳在抑制过压方面优于氮气的原因，研究者进行了解耦分析。结果显示，二氧化碳的优异表现不仅源于其物理稀释效应，还与其显著的化学抑制作用密切相关。这一化学抑制作用可能通过多种机制实现，包括对自由基的消耗、对燃烧反应路径的干扰以及对热释放速率的调控。这些化学作用与物理作用共同作用，使得二氧化碳在灭火过程中能够更有效地降低过压风险。然而，当前关于惰性气体与 Novec 1230 和 2-BTP 之间的协同作用机制仍存在诸多未解之处，特别是在化学抑制作用的具体表现和影响范围方面，尚缺乏系统的研究。

在过去的文献中，已有大量关于惰性气体在抑制爆炸压力方面的研究。例如，Benedetto 的研究表明，二氧化碳在甲烷和氢气爆炸中具有显著的抑制效果，能够有效降低爆炸压力和绝热火焰温度。而 Wei 的实验则进一步验证了氮气和二氧化碳在不同初始压力条件下的抑制能力，显示出二氧化碳在抑制氢气火焰压力方面具有更优的表现。Yan 的研究则揭示了氮气和二氧化碳在氢气爆炸中抑制效率的变化趋势，发现随着等效比的增加，两种气体的抑制效果逐渐减弱，但它们对绝热火焰温度、热扩散率和活性自由基浓度的降低作用依然显著。这些研究为理解惰性气体在灭火和爆炸抑制中的作用提供了重要的理论支持和实验依据。

然而，尽管已有大量关于惰性气体在单一燃料系统中的应用研究，关于其与卤代烃灭火剂（如 Novec 1230 和 2-BTP）之间的协同作用机制，仍然存在许多未知领域。现有研究多关注于惰性气体的物理稀释效应，而对其化学抑制作用的定量分析和具体作用路径的研究相对较少。尤其是关于二氧化碳在与卤代烃灭火剂协同使用时是否具有增强或减弱作用，尚无明确结论。这限制了对复合灭火剂配方的优化设计，使得在实际应用中难以充分发挥惰性气体的潜力。

本研究的创新之处在于，通过实验和模拟相结合的方法，系统地探讨了惰性气体对 Novec 1230 和 2-BTP 引发的过压现象的优化效果。研究者在贫燃、化学计量和富燃条件下，分别考察了不同浓度的二氧化碳和氮气对过压的影响。实验结果表明，在贫燃条件下，二氧化碳对过压的抑制效果优于氮气，且其抑制作用具有明显的化学机制。这种化学机制可能包括对自由基的消耗、对燃烧反应路径的干扰以及对热释放速率的调控。通过详细的反应路径分析和自由基浓度监测，研究者能够更清晰地理解二氧化碳在灭火过程中的作用机制，从而为优化灭火剂配方提供理论依据。

在实验设计方面，研究者采用了一种改进的恒容燃烧系统，该系统基于之前的研究设计，并加入了单个压力传感器以提高数据采集的精度。实验过程中，研究者通过调节不同浓度的惰性气体和灭火剂混合比例，测量了在不同等效比条件下的过压变化情况。同时，研究者还对混合系统中的关键参数进行了计算分析，包括绝热火焰温度、氧气消耗速率、自由基浓度（如 H·、OH·）以及气体组成平衡情况。这些参数的分析有助于揭示惰性气体在灭火过程中的具体作用机制，从而为优化灭火剂配方提供科学依据。

此外，为了评估二氧化碳和氮气在纯态下的灭火效果，研究者还对这两种气体在 5% 和 10% 体积分数下的火焰抑制特性进行了研究。结果表明，纯态下的二氧化碳在抑制火焰方面表现出更强的性能，这与其较高的热容量和对自由基的消耗能力有关。相比之下，氮气虽然也能起到一定的抑制作用，但其效果相对有限。这一发现进一步支持了二氧化碳在与卤代烃灭火剂协同使用时具有更优表现的观点。

本研究的结论对于灭火剂的优化设计和实际应用具有重要意义。首先，研究结果表明，惰性气体能够有效抑制 Novec 1230 和 2-BTP 引发的过压现象，这对于提高灭火系统的安全性和有效性至关重要。其次，研究揭示了二氧化碳在抑制过压方面的化学机制，为未来研究提供了新的方向。最后，研究还指出，在设计复合灭火剂配方时，需要充分考虑惰性气体的化学作用，以实现更高效的灭火效果和更低的过压风险。

本研究的成果不仅为灭火剂的优化提供了理论支持，也为相关领域的进一步研究奠定了基础。未来的研究可以进一步探讨不同浓度的惰性气体与卤代烃灭火剂之间的协同作用机制，以及在不同燃烧条件下的优化效果。此外，还可以研究惰性气体在其他燃料系统中的应用，以验证其普遍适用性。这些研究将有助于推动新型灭火剂的研发和应用，提高灭火系统的安全性和环保性。