《Fire》：Investigation and Experimental Verification of the Spray Intensity of Transformer Water Mist Firefighting System Under Applied Wind Speed
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摘要：
细水雾（water mist）因具备强冷却、蒸发与辐射衰减能力且耗水量低于传统水喷淋系统，被广泛用于室内电气火灾防护，但其用于户外变压器时受环境风场影响显著。研究人员通过大型风洞设施对110 kV变压器开展全尺寸冷喷实验，采用流量系数K=2.0（额定单
摘要：
细水雾（water mist）因具备强冷却、蒸发与辐射衰减能力且耗水量低于传统水喷淋系统，被广泛用于室内电气火灾防护，但其用于户外变压器时受环境风场影响显著。研究人员通过大型风洞设施对110 kV变压器开展全尺寸冷喷实验，采用流量系数K=2.0（额定单喷口流量20 L/min）与K=1.7（17 L/min）两类喷嘴，在终端工作压力10 MPa、施加风速0/4/6/8/10 m/s条件下，以58个集水盒（侧壁54个、顶部4个）收集30 s喷雾水量并转化为局部喷雾强度（spray intensity，L·s?1·m?2）。结果表明：风速4 m/s即出现明显风致雾场重分布，随风速增大，迎风侧沉积减少、下风向区域水量富集；顶部因几何遮挡与多喷口耦合呈现差异化响应；同工况下K=2.0配置较K=1.7保持更有利的覆盖分布。该全尺寸冷喷数据为户外变压器细水雾系统的风敏特性界定及后续实体火试验、防风设计提供了实验依据。
论文解读
研究背景与问题提出
油浸式电力变压器内含大量可燃绝缘油，绝缘失效、电气故障或机械损伤后可演变为池火、喷射火与流淌火，威胁相邻设备与电网连续运行。细水雾（water mist，通过微小液滴实现冷却、隔氧与辐射阻隔的灭火介质）因节水、冷却效率高而由室内场景向户外推广；但户外环境存在横风，风致漂移会改变液滴轨迹，使迎风面保护薄弱、背风面过量堆积。已有研究多聚焦油燃特性、灭火效率、喷口布置或数值预测，针对全尺寸变压器在施加风速下局部喷雾强度（spray intensity，单位面积单位时间捕集水量）定量演化的实验数据仍然有限，且设备本体、套管与遮挡形成的尾流无法由小尺度靶标等效替代。因此，研究人员以110 kV实体变压器为对象，量化风速对细水雾空间分布的影响，明确系统由室内向户外迁移的适用边界。
研究方案与关键技术方法
研究人员依托多灾害耦合环境风洞实验段，以110 kV油浸式变压器（6.15×1.96×3.10 m）为全尺寸样本，构建双层共14只高压细水雾喷口管网；对比K=2.0与K=1.7两种流量系数喷嘴，在0、4、6、8、10 m/s五类施加风速、终端压力10 MPa、单次喷雾30 s条件下各重复3次。采用多通道风速仪在变压器上游参考面测风，沿侧壁三层与顶部布置58个集水盒（单盒受水面0.15×0.15 m），将集水量折算为局部喷雾强度；同步以激光粒度仪在喷口下方1 m平面测液滴特征粒径Dv50与Dv99，并由喷口流量与孔面积推算初速度，形成“风场—雾场—沉积通量”的冷态实测链条。
研究结果
- 2.
变压器冷喷实验总体方案设计
通过风洞平台、实体变压器定位、双层喷口布置与集水盒空间阵列的设计，建立可复现0–10 m/s横风的全尺寸冷喷观测系统，验证数据变异系数（CV）仅2.1%–6.8%，重复性好。
- 3.
变压器细水雾冷喷实验与分析
影像显示无风时雾云近对称覆盖，加风后整体向下风向输运；K=2.0雾流通量明显高于K=1.7，迎风侧穿透受限、背风侧富集。
- 4.
结果与讨论
4.1 液滴尺寸
依据GB/T 26785-2011以激光散射反演粒径，获得Dv50与Dv99，确认细水雾微观尺度满足高压细水雾特征，粒径分布影响风场扰动下的输运稳定性。
4.2 液滴初速度
六孔喷嘴在10 MPa下，K=1.7与K=2.0对应孔径0.86 mm与0.90 mm，初速度分别为81.3 m/s与87.4 m/s；更高流量系数带来更强动量，利于抵抗横风偏转。
4.3 侧壁喷雾强度分布
54个侧壁盒显示：风速高于6 m/s后通量密度加速衰减，分布由对称均匀转为下风向偏置；h=1.73 m迎风段在10 m/s时降幅最显著，h=0.73 m因双层喷口叠加仍具较高局部强度；同风速下K=2.0侧壁覆盖优于K=1.7。
4.4 变压器顶部喷雾强度
顶部4盒受套管遮挡与多喷口汇流影响，横风使上游雾滴被导向外壳中部；有效作用范围在4–8 m/s约2.8 m，10 m/s扩展至约3.3 m，顶部强度随风速不降反升。
4.5 讨论
雾滴输运由惯性、喷雾动量、重力沉降、气动阻力与表面拦截共同决定。横风不改变总抑灭机理，但重排沉积格局：迎风局部欠覆盖、下风向与顶部局部过覆盖。较大排量（K=2.0）提供更充足液量输运余量，几何遮挡与来流方向耦合导致空间非均匀性。
结论翻译（研究人员结论浓缩）
（1）无风至4 m/s即出现风致重分布，6–10 m/s偏移增强，迎风侧多处沉积下降、下风向增加，且空间非均匀。
（2）三层侧壁高程绝对强度不同，但均呈现一致的下风向迁移趋势。
（3）顶部在横风下受外壳拦截，有效作用范围4–8 m/s约2.8 m，10 m/s约3.3 m。
（4）同压力与风速下，K=2.0（20 L/min）较K=1.7（17 L/min）维持更有利喷雾分布。
该研究局限为仅冷态、无火焰与蒸发耦合，后续需结合真实火灾羽流与多风向验证，为户外变压器细水雾系统喷口选型、防火墙高度与防风设计提供全尺寸依据。
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