Acoustic agglomeration for fire smoke control: A state-of-the-art review
张光学*，陈子越，童思睿，袁定琨，李允超，徐江荣
Keywords: Particle; Acoustic agglomeration; Fire smoke; Transmittance
DOI: 10.1016/j.partic.2025.09.009
火灾发生时，烟雾颗粒对光线的散射作用会降低火场能见度，对受困人员安全构成严重威胁。鉴于现有烟雾控制方法的局限性，开发新型解决方案迫在眉睫。声波团聚技术利用高强声场促使烟雾颗粒之间发生碰撞团聚，可有效降低烟雾颗粒浓度并改善火场能见度，近几年衍生发展成为一种全新的火灾烟雾控制方法。本文旨在系统评述声波团聚技术在火灾烟雾控制中的最新研究进展与应用潜力，并探讨了与水雾、电场等辅助技术的协同效应，以期回应实际火灾防控的紧迫需求。
相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 106），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
研究背景
城市化进程的推进，使建筑物的高度和结构复杂性持续增加，而复杂的建筑环境在火灾发生时极易阻碍人员疏散与消防救援，从而会导致重大伤亡。根据国际消防救援协会（CTIF）发布的《2024年世界火灾统计报告》，在统计的31个国家中，每年发生约350万起火灾，造成约4万人死亡，其中死亡人数中约92%发生在建筑物内部。
烟雾是导致建筑火灾中人员大量死亡的直接原因。烟雾中悬浮的颗粒会对光线产生散射作用，致使火场能见度急剧下降，严重延缓受困人员的疏散进程。与此同时，烟雾在疏散过程中还会对受困者造成巨大的心理压力，甚至在成功脱困后这种压力仍可能持续存在。此外，烟雾颗粒能够吸附多种有害物质，被吸入后将对人体健康造成严重危害，尤其对儿童的危害更为明显。鉴于现有烟雾控制方法的局限性，开发新型高效的解决方案迫在眉睫。
要点精读
1. 声波团聚技术的发展
声波团聚技术是一种有效的颗粒物控制方法。自20世纪30年代被发现以来，研究人员对该技术机理展开广泛研究，从早期的同向团聚机制发展到对声波尾流效应等多种机制的探讨。之后，该技术曾因声源限制而发展缓慢，但随着环保政策的推出，声波团聚的相关研究再度活跃，并在处理火灾烟雾等颗粒物方面展现出其潜力。
图1. 声波团聚技术的发展历程
2. 声学参数（声频、声强）对声波团聚的影响
在声波团聚火灾烟雾的研究过程中发现，声频对团聚效率影响显著，且存在最佳频率。当声频位于最佳频率时，声波对火灾烟雾的控制速率明显增强，最终取得显著的团聚效果。而声强与团聚效率并非简单的线性关系。声强较低时，提高声强能显著增强颗粒运动速度，促进碰撞团聚；但当声强达到阈值后，团聚效率会趋于平稳。因此，利用声波控制火灾烟雾的关键在于声频与声强的协同优化，而不是简单提高声强，即在确定最佳声频的同时合理限定声强阈值，以实现高效团聚与能效平衡。
图2. 声学参数对声波团聚的影响
3. 声源对声波团聚的影响
声源作为声波团聚技术的核心装置，会对团聚效率造成重要影响。通过对传统气动声源哈特曼哨（Hartmann whistle）的结构优化，采取增加侧向开口和旋流叶片等措施，可显著提升声源性能，实验进一步验证了该声源对烟雾颗粒的控制效果。此外，还借助有限元法设计并加工了应用于火灾烟雾控制的超声换能器，同样也通过实验验证了超声波换能器对烟雾颗粒的良好控制效果。实际应用中，声源布置应综合考虑空间几何特点以及烟雾运动特性。超声波换能器具有较高电声转换效率但声波易衰减，更适用于走廊、隔间及通道等狭长封闭空间；而哈特曼哨等大功率气流声源则更适用于中庭、空间较大的房间以及开放空间。
图3. 声源对声波团聚的影响
4. 声波团聚技术与其他技术的耦合效应
声波团聚与其他技术耦合是提高团聚效率的重要途径。在火灾烟雾控制领域，目前已对声波团聚与液滴和电场的耦合作用展开探索。当引入液滴，可以缩短烟雾颗粒之间的间距，并在颗粒碰撞时形成液桥力，以强化团聚体的稳定性并拓宽最佳声频范围，同时降低声强需求。但液滴浓度需合理控制才能维持较高的团聚效率，过高的液滴浓度会使声波能量主要消耗于液滴之间的团聚，以至于导致声能利用效率降低，并削弱对烟雾颗粒的控制效果。施加电场，可使颗粒带电，增强颗粒的吸引力并提升团聚效率，但当电压升高至7kV以上时，团聚效率提升受限，且存在放电风险。因此，电极结构的优化将成为后续研究与工程应用的重点，以同时兼顾效率与安全性问题。
图4. 声波团聚与其他技术的耦合
主要结论与展望
经技术的持续发展与优化，目前声波团聚技术已然成为一种颇具前景的火灾烟雾控制方法，并通过协同调整各声学参数、优化声源及其合理布置、以及与其他技术耦合等多种方式，有效降低烟雾颗粒浓度，提高火场能见度，帮助受困人员逃生。
基于现有研究结果，未来研究重点应关注不同声源的混合部署策略，以充分发挥其协同效应，并进一步深入探究声场与火灾动力学的相互作用机制，以制定科学的系统设计与控制策略。
通讯作者简介
张光学，中国计量大学教授、博导、副院长，研究工作主要围绕颗粒物控制和燃料的高效清洁利用开展。发表论文100余篇，出版专著2部，授权发明专利34项。入选浙江省“万人计划”青年拔尖人才，浙江省高校领军人才（高层次拔尖人才），浙江省高层次人才（C类）。先后主持国家自然科学基金3项、国家重点研发计划子课题2项、浙江省自然科学基金2项、省部级及企业横向课题等一百余项。获中国电力科技进步奖二等奖1项、浙江省科学技术进步奖二等奖1项、浙江省自然科学学术奖1项、浙江省质量技术监督科学技术进步奖1项、浙江电力科学技术进步奖一等奖1项、钱江能源科学技术奖2项。
供稿：原文作者
排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Zhang, G., Chen, Z., Tong, S., Yuan, D., Li, Y., & Xu, J. (2025). Acoustic agglomeration for fire smoke control: A state-of-the-art review. Particuology, 106, 261-274. https://doi.org/10.1016/j.partic.2025.09.009