七氟丙烷滅火劑施放、流動(dòng)及擴(kuò)散過程的數(shù)值模擬

陸誠，呂曉東，魏巍

（1北京特種車輛研究所，北京100072；2西安新竹防災(zāi)救生設(shè)備有限公司，陜西 西安710075）

在車輛滅火系統(tǒng)中，滅火劑在艙體內(nèi)的流動(dòng)擴(kuò)散過程直接影響了滅火劑的分布情況，從而影響了滅火劑的滅火性能。因此，深入認(rèn)識(shí)滅火劑在艙體內(nèi)的流動(dòng)和擴(kuò)散規(guī)律對(duì)滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很大的指導(dǎo)作用。在一些老的車輛設(shè)備中，通常采用哈龍1211和哈龍1301等滅火劑，這些傳統(tǒng)滅火劑對(duì)人毒害性較大，且對(duì)臭氧損耗、溫室效應(yīng)等影響較大，環(huán)保性差，已逐漸被新型滅火劑所取代［1］。七氟丙烷滅火劑具有空氣泡沫覆蓋隔離和自身的化學(xué)抑制的雙重滅火功效、可短時(shí)間內(nèi)撲滅輕烴等低沸點(diǎn)可燃?xì)怏w等優(yōu)點(diǎn)［2－4］，目前在車輛消防工程中應(yīng)用較為廣泛。在一些老的車輛設(shè)備中，如何在不改變?cè)袦缁鹣到y(tǒng)前提下直接用七氟丙烷滅火劑替代哈龍型滅火劑十分值得研究。前期已通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)七氟丙烷滅火劑能否替代哈龍型滅火劑進(jìn)行了研究，得到了總體的滅火效果，但是由于受檢測(cè)方法的限制，難以獲得滅火劑在車輛內(nèi)部詳細(xì)的流動(dòng)和擴(kuò)散信息。為此，本文將采用數(shù)值模擬方法對(duì)七氟丙烷滅火劑在試驗(yàn)艙體內(nèi)的滅火過程進(jìn)行分析，揭示七氟丙烷滅火劑在艙體內(nèi)的施放、流動(dòng)及擴(kuò)散規(guī)律，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究的不足，為車輛內(nèi)滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布置提供指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型

七氟丙烷滅火劑滅火過程中，滅火劑儲(chǔ)瓶中液態(tài)的七氟丙烷在壓力作用下從滅火裝置噴嘴噴出，同時(shí)七氟丙烷汽化為氣體，然后七氟丙烷氣體在艙體內(nèi)快速流動(dòng)和擴(kuò)散，到達(dá)火面實(shí)施滅火。由流體力學(xué)基本理論［5］可知，七氟丙烷滅火劑在艙體內(nèi)的施放、流動(dòng)、擴(kuò)散過程遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和組分守恒定律，可由質(zhì)量、動(dòng)量和組分基本控制方程組來描述。艙體內(nèi)七氟丙烷滅火劑的流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，由于湍流脈動(dòng)而引起的動(dòng)量守恒和組分守恒方程中的應(yīng)力輸運(yùn)和質(zhì)量輸運(yùn)要通過湍流模型來封閉，本研究中采用k－ε雙方程湍流模型［6］對(duì)其進(jìn)行封閉?；究刂品匠毯蚹－ε湍流模型方程的具體形式參見文獻(xiàn)［6］。

2 模擬工況

研究對(duì)象為一試驗(yàn)艙體，基本結(jié)構(gòu)尺寸為1996mm×1910mm×920mm。滅火劑儲(chǔ)瓶放置在艙體外，通過管路通入艙體內(nèi)部，通過兩個(gè)滅火噴嘴進(jìn)行滅火。噴嘴1位于艙體左側(cè)，噴嘴出口向下；噴嘴2位于艙體右側(cè)，噴嘴出口面向艙體側(cè)壁，具體布置如圖1所示。滅火噴嘴直徑為16mm，噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。

七氟丙烷滅火劑在儲(chǔ)瓶?jī)?nèi)以液態(tài)存在，施放時(shí)汽化噴出，在艙體內(nèi)擴(kuò)散流動(dòng)。滅火劑儲(chǔ)瓶壓力為2.5MPa，七氟丙烷充裝量為0.85kg，施放時(shí)間為7s。七氟丙烷物性參數(shù)［7］如表1所示。

圖1 滅火噴嘴位置示意

圖2 滅火噴嘴結(jié)構(gòu)

表1 七氟丙烷物性參數(shù)

艙體內(nèi)部七氟丙烷施放過程中，施放初期滅火裝置內(nèi)部壓力大、施放速度較大；隨著施放時(shí)間的變長(zhǎng)，滅火裝置內(nèi)部壓力變小，施放速度減小。根據(jù)文獻(xiàn)中關(guān)于滅火劑施放過程中滅火裝置壓力變化情況［8］，確定了艙體內(nèi)滅火劑施放速率，如圖3所示。

3 模擬結(jié)果與分析

采用CFD軟件Fluent對(duì)上述條件下的七氟丙烷滅火劑在艙體內(nèi)的施放、流動(dòng)、擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬計(jì)算。采用Simple算法［9］求解壓力－速度耦合方程，動(dòng)量、組分、湍動(dòng)能和湍流耗散率方程的離散格式均采用二階迎風(fēng)差分格式，艙體壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法處理。噴嘴周邊區(qū)域中各物理量變化大，為了更準(zhǔn)確地模擬這種變化趨勢(shì)，對(duì)噴嘴周邊區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，整個(gè)艙體網(wǎng)格數(shù)量約為200萬個(gè)。

圖3 七氟丙烷滅火劑施放速率隨時(shí)間變化

3.1 流場(chǎng)分析

圖4為艙體內(nèi)滅火噴嘴噴出的七氟丙烷滅火劑的流線圖。由圖4可見，由噴嘴施放出的七氟丙烷氣體先噴到噴嘴出口所對(duì)的壁面上，隨后折流向頂部運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在艙體內(nèi)逐漸擴(kuò)散至均勻狀態(tài)。由流線圖還可以看出，在噴嘴附近七氟丙烷滅火劑流動(dòng)速度較高，且流線較為集中，七氟丙烷濃度較高；隨著七氟丙烷滅火劑在艙內(nèi)的流動(dòng)和擴(kuò)散，流動(dòng)速度逐漸降低，濃度也降低?？梢妵娮旄浇l(fā)生的火災(zāi)可以很好地被熄滅，而艙內(nèi)其他位置上發(fā)生的火災(zāi)能否及時(shí)被熄滅則取決于該位置上滅火劑的濃度，這與滅火劑的流動(dòng)和擴(kuò)散過程密切相關(guān)。因此，模擬計(jì)算得到的滅火劑流動(dòng)和擴(kuò)散規(guī)律可為滅火裝置的設(shè)計(jì)和布置提供重要的參考。

3.2 七氟丙烷濃度分布

七氟丙烷滅火劑在艙體內(nèi)的分布直接決定了滅火劑滅火效果的好壞，七氟丙烷濃度分布是否均勻與滅火裝置噴嘴結(jié)構(gòu)及分布位置有很大關(guān)聯(lián)。故對(duì)七氟丙烷滅火劑施放過程中不同時(shí)刻七氟丙烷滅火劑濃度分布情況進(jìn)行分析，如圖5所示。圖5中不同顏色代表不同的七氟丙烷濃度值，藍(lán)色代表七氟丙烷濃度為0，紅色代表七氟丙烷濃度為0.1，從藍(lán)色過渡到紅色，七氟丙烷濃度逐漸增加。從不同時(shí)刻的艙體內(nèi)部七氟丙烷濃度分布可以得出七氟丙烷施放和流動(dòng)擴(kuò)散過程，在施放初期（0.01～0.2s），七氟丙烷主要集中在噴嘴至所對(duì)應(yīng)的壁面處的區(qū)域內(nèi)，由圖5中1.0s、3.0s、5.0s和7.0s時(shí)刻七氟丙烷濃度分布可以看出，噴嘴附近及其頂部區(qū)域內(nèi)七氟丙烷濃度高于其他位置，表明隨七氟丙烷繼續(xù)施放，該區(qū)域內(nèi)高濃度的七氟丙烷主要向艙體上部和其他部位低濃度區(qū)流動(dòng)擴(kuò)散。由14.0s時(shí)刻七氟丙烷濃度分布可以看出，艙體內(nèi)部顏色幾乎相同，即艙體內(nèi)部七氟丙烷體積濃度相同，表明施放完畢后，艙體內(nèi)部七氟丙烷逐漸擴(kuò)散至均勻狀態(tài)。

圖4 七氟丙烷滅火劑流線示意

圖5 不同時(shí)刻艙體內(nèi)部濃度分布（顏色與濃度的關(guān)系同圖4）

圖5很好地展示了不同時(shí)刻艙體內(nèi)部七氟丙烷滅火劑濃度變化情況，在此基礎(chǔ)上，對(duì)艙體內(nèi)部七氟丙烷滅火劑分布進(jìn)行定量分析，對(duì)艙體內(nèi)部的濃度分布進(jìn)行檢測(cè)，分別檢測(cè)艙體內(nèi)部0m、0.2m、0.4m、0.6m和0.8m高度處截面上的七氟丙烷氣體平均濃度，檢測(cè)位置如圖6所示。

圖6 七氟丙烷濃度檢測(cè)位置示意

圖7 不同位置處滅火劑濃度隨時(shí)間變化

圖7為不同位置上七氟丙烷濃度隨時(shí)間變化曲線，由圖7可以看出，在滅火劑施放期間，艙體底部（0m）七氟丙烷平均濃度較高，主要由于施放的七氟丙烷氣體由噴嘴施放先達(dá)到艙體底部所致。滅火劑施放過程中，艙體各截面處七氟丙烷氣體平均濃度相差不大，表明滅火劑施放速度較大，七氟丙烷擴(kuò)散速度快。施放結(jié)束后，艙體各檢測(cè)點(diǎn)七氟丙烷濃度幾乎一致，七氟丙烷平均濃度大約為3%～4%。根據(jù)滅火要求，七氟丙烷滅火劑濃度需達(dá)到5.8%時(shí)，才能把火面熄滅。可見該工況下七氟丙烷滅火劑濃度偏低，無法達(dá)到滅火要求。

圖8 七氟丙烷濃度隨時(shí)間變化曲線

3.3 滅火劑用量對(duì)濃度分布的影響

在滅火過程中所需滅火劑的用量是衡量滅火劑滅火性能的一個(gè)重要指標(biāo)，滅火劑用量直接影響艙體內(nèi)部滅火劑濃度分布。上述研究工作表明，對(duì)于本研究的艙體，如果滅火劑選用七氟丙烷，且用量只有0.85kg時(shí)，滅火劑施放完畢后，艙體內(nèi)七氟丙烷濃度只有3%～4%，達(dá)不到滅火濃度要求，需增加滅火劑的量。為此，本研究采用模擬方法考察了滅火劑用量對(duì)七氟丙烷濃度分布的影響。

圖8對(duì)比了滅火劑用量分別為0.85kg和1.75kg時(shí)七氟丙烷濃度隨時(shí)間變化情況。由圖8可以看出，當(dāng)滅火劑用量增加時(shí)，滅火劑在艙體內(nèi)的施放、流動(dòng)、擴(kuò)散規(guī)律變化不大，但是數(shù)值上有所變化。由圖8（b）看出，當(dāng)七氟丙烷用量為1.75kg時(shí)，滅火劑施放完畢后，艙體內(nèi)部七氟丙烷平均摩爾分?jǐn)?shù)約6%～7%，可達(dá)到滅火要求（5.8%）。

4 結(jié) 論

（1）在分析七氟丙烷滅火劑滅火過程中滅火劑施放、流動(dòng)和擴(kuò)散行為特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于流體力學(xué)基本理論，結(jié)合k－ε雙方程湍流模型，建立了描述七氟丙烷滅火劑施放、流動(dòng)和擴(kuò)散過程的數(shù)學(xué)模型，并給出了相應(yīng)的數(shù)值求解方法。

（2）采用建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)艙體內(nèi)七氟丙烷滅火劑的施放、流動(dòng)和擴(kuò)散過程進(jìn)行了模擬研究，得到了艙內(nèi)七氟丙烷滅火劑的流場(chǎng)和濃度分布情況。模擬結(jié)果表明，在噴嘴附近七氟丙烷滅火劑流動(dòng)速度較快，且七氟丙烷濃度較高；隨著施放時(shí)間的延長(zhǎng)，七氟丙烷滅火劑在艙內(nèi)的流動(dòng)和擴(kuò)散，速度和濃度逐漸降低。當(dāng)滅火劑施放結(jié)束，艙體內(nèi)各位置濃度分布比較均勻。

（3）當(dāng)七氟丙烷用量為0.85kg時(shí)，艙體內(nèi)七氟丙烷濃度約為3%～4%，達(dá)不到滅火濃度要求；當(dāng)七氟丙烷用量增加到1.75kg時(shí)，艙體內(nèi)七氟丙烷濃度約為6%～7%，可達(dá)到滅火濃度要求。

（4）模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了所建立的數(shù)學(xué)模型的合理性，該數(shù)學(xué)模型可拓展運(yùn)用到實(shí)際車輛滅火系統(tǒng)的模擬分析中。

［1］ 劉江虹，金翔，黃鑫.哈龍?zhí)娲夹g(shù)的現(xiàn)狀分析與展望［J］.火災(zāi)科學(xué)，2005，14（3）：160－165.

［2］ 任巖冰，李亞峰，張國軍.七氟丙烷滅火劑應(yīng)用［J］.當(dāng)代化工，2002，31（3）：151－153.

［3］ 張清林，徐康輝，秘義行，等.七氟丙烷氣體泡沫滅火劑試驗(yàn)研究［J］.滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)，2011，30（3）：217－220.

［4］ 陳莉.哈龍?zhí)娲颋M－20的毒性評(píng)價(jià)［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，1999（12）：21－22.

［5］ 徐文燦，胡俊.計(jì)算流體力學(xué)（上）［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.

［6］ 熊莉芳，林源，李世武.k－ε湍流模型及其在FLUENT軟件中的應(yīng)用［J］.工業(yè)加熱，2007，36（4）：13－15.

［7］ 張洪英，呂昌.七氟丙烷滅火系統(tǒng)［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2007，5：40－42.

［8］ 楊志遠(yuǎn)，汪輝，邊福利，等.七氟丙烷（HFC－227ea）滅火劑管路流動(dòng)特性［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2001（2）：26－28.

［9］ 陶文栓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2011.