多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧滅火噴頭設(shè)計

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(1.西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039； 2.成都威斯特消防機(jī)械有限公司，四川 成都 611730)

·能源與環(huán)境·

多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧滅火噴頭設(shè)計

華 丹1，李慶剛1*，唐 孛1，葛 凱1，成華友2

(1.西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039； 2.成都威斯特消防機(jī)械有限公司，四川 成都 611730)

為解決單噴嘴直旋流細(xì)水霧滅火噴頭在噴霧保護(hù)半徑小以及噴霧密度分布方面的局限性，采用數(shù)值模擬與實(shí)驗研究相結(jié)合的方法，設(shè)計一種新型多噴嘴組合式直旋流結(jié)構(gòu)的細(xì)水霧滅火噴頭。數(shù)值仿真和實(shí)驗結(jié)果表明：在相同壓力工況下多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧滅火噴頭與單噴嘴直旋流細(xì)水霧滅火噴頭比較，噴霧保護(hù)錐角從單噴嘴噴頭的59°增加到多噴嘴組合式噴頭的114°，噴霧保護(hù)錐角最高增幅達(dá)到93%，流量特性系數(shù)K從單噴嘴噴頭的1.99增大到多噴嘴組合式噴頭8.02，多噴嘴組合式噴頭實(shí)際流量節(jié)省了約20%；同時，多噴嘴組合式噴頭5個噴嘴之間的噴霧無干涉。

多噴嘴；細(xì)水霧；組合式噴頭；數(shù)值仿真

隨著鹵代烷系列滅火劑逐步面臨限制和淘汰，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)因具有無環(huán)境污染、滅火效率高、耗水量少、對保護(hù)對象破壞性小等優(yōu)點(diǎn)顯示出廣泛的應(yīng)用前景，目前已成為國內(nèi)外火災(zāi)科學(xué)前沿研究的熱點(diǎn)。由于細(xì)水霧滅火噴頭內(nèi)外部兩相湍流運(yùn)動的復(fù)雜性，目前工程應(yīng)用的細(xì)水霧滅火噴頭的霧化效果仍然不太理想，因此有必要對細(xì)水霧滅火噴頭的結(jié)構(gòu)和霧化性能進(jìn)行深入研究[1]。同時，針對已開發(fā)的單噴嘴直旋流細(xì)水霧滅火噴頭在噴霧保護(hù)半徑和噴霧密度分布等方面的局限性，研究如何將單噴嘴直旋流細(xì)水霧滅火噴頭進(jìn)行有效的組合，既發(fā)揮單噴嘴直旋流細(xì)水霧滅火噴頭在滅火效能方面的優(yōu)勢，又可以彌補(bǔ)單噴嘴直旋流細(xì)水霧滅火噴頭在噴霧半徑方面的劣勢，同時避免由于多個噴嘴組合后各噴嘴之間產(chǎn)生霧化干擾[2]。

1 多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧噴頭的結(jié)構(gòu)

1.1設(shè)計思路

課題組在對單噴嘴直旋流細(xì)水霧滅火噴頭進(jìn)行理論研究與實(shí)驗研究及實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)單噴嘴直旋流細(xì)水霧滅火噴頭在滅火效果上有很好的表現(xiàn)[3]，但是還存在不足，由于滅火覆蓋面積有限，應(yīng)用在一些大空間范圍內(nèi)，需要布置數(shù)個滅火噴頭，才能達(dá)到預(yù)期滅火效果；因此，我們設(shè)想把這種結(jié)構(gòu)簡單滅火效果又出色的噴頭組合起來，在原有單噴嘴直旋流細(xì)水霧滅火噴頭滅火效果的基礎(chǔ)上，彌補(bǔ)其在保護(hù)半徑上的不足，增大該噴頭的防火保護(hù)范圍。在多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧滅火噴頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面，既要保證水流可以在流腔內(nèi)充分混合，還要保證足夠的出口噴霧速度。在多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧滅火噴頭的布置方面，首先要保證各噴嘴之間噴霧不會產(chǎn)生霧化干擾，其次要保證增加滅火保護(hù)面積后，滅火效率的其他指標(biāo)不受影響或者其所造成的影響在可以控制的范圍內(nèi)，最后考慮到工程應(yīng)用上的經(jīng)濟(jì)性，在不影響滅火效果的前提下，盡量增加噴嘴的個數(shù)。

1.2多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧噴頭的結(jié)構(gòu)

多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧滅火噴頭采用5個噴嘴組合結(jié)構(gòu)，使用的噴嘴為課題組教學(xué)理論與實(shí)驗研究的單噴嘴直旋流結(jié)構(gòu)細(xì)水霧噴頭，該噴頭已獲得國家發(fā)明專利。為了減少多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧噴頭的壓力損失，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧噴頭的結(jié)構(gòu)緊湊；同時還需要保證在噴霧時，噴嘴之間噴出的霧滴相互不會產(chǎn)生霧化干擾，否則會影響液滴的碎裂以及細(xì)水霧的形成。多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧滅火噴頭結(jié)構(gòu)是1個中心噴嘴軸向布置，4個輔助噴嘴以中心噴嘴為圓心周向布置，多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧滅火噴頭的噴嘴數(shù)是5個，其結(jié)構(gòu)見圖1。

2 多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧噴頭的數(shù)值模擬

2.1數(shù)學(xué)模型

細(xì)水霧噴頭的霧化過程是極其復(fù)雜的，涵蓋了混合旋流、湍流、兩相流、空氣連續(xù)相破裂、霧滴碰撞等，目前有多個描述該類流場的數(shù)學(xué)模型[4]。筆者選擇適用于基于ε方程的湍流模型的可升級壁面函數(shù)來模擬分析k-ε模型。k-ε模型是模擬計算中使用頻率最高的湍流模型，其中k為湍動能，定義速度波動的變化量，其單位為m2/s2;ε為湍動能耗散，即指速度波動耗散的速率，其單位為m2/s3。k、ε值直接從湍動能和湍動能耗散方程中求解，方程為：

圖1 多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧噴頭結(jié)構(gòu)

pk-ρε；

(1)

(2)

式中Cε1、Cε2、σk、σε為常數(shù)。

本文設(shè)定流體在壁面處流動模式為無滑移，流體與壁面間相互作用。

壁面函數(shù)理論是Launder和Spalding理論的延伸，近壁處的切向速度是與壁面剪切應(yīng)力τω成對數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為

(3)

式中：u+為近壁速度；uτ為摩擦速度；ut為距離壁面Δy處的壁面切向速度；y+為到壁面的量綱一距離；τω為壁面切應(yīng)力；k為Karman常數(shù)；C為與壁面粗糙程度相關(guān)的對數(shù)層常數(shù)。

可升級的壁面函數(shù)就是近壁速度ut接近零時的壁面函數(shù)，這時，近壁處位置會發(fā)生異常，因此在對數(shù)區(qū)域里，在某些速度范圍內(nèi)，可以使用u*代替u+，即

(4)

又因為在湍流區(qū)域,k值不可完全為零，據(jù)此可得uτ的直接方程

(5)

式中量綱一距離y*的計算式為

(6)

壁面剪切應(yīng)力τω的絕對值由下式得出：

τω=ρu*uτ[5]。

(7)

2.2網(wǎng)格劃分與流場的設(shè)定

多噴嘴組合式直旋流噴頭內(nèi)部和外部流場的三維立體模型是采用FLUENT 的前處理軟件GAMBIT建立的，網(wǎng)格劃分見圖2。同時，為了保證精度，在噴嘴處進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密，噴嘴外部流場局部網(wǎng)格放大見圖3[6]。模型的入口、出口邊界分別為壓力入口以及壓力出口。本文采用適用于ε方程的湍流模型的可升級壁面函數(shù)。為提高計算的準(zhǔn)確性，根據(jù)流場的壓力梯度進(jìn)行網(wǎng)格的自適應(yīng)調(diào)整，并通過動態(tài)改變步長進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計算來加速計算的收斂[7]。

圖2 多噴嘴組合式噴頭網(wǎng)格劃分

圖3 外部流場局部網(wǎng)格放大

2.3數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于多噴嘴組合式直旋流細(xì)水霧滅火噴頭相較于單噴嘴直旋流細(xì)水霧滅火噴頭來說，體積稍大，故在分析時，本文沿YZ面做了一個切平面，用來對多噴嘴組合式噴頭做輔助分析。如圖4(a)、(b)所示，通過CFD后處理軟件，將多噴嘴組合式噴頭(b)內(nèi)部流腔的混合旋流情況與單噴嘴噴頭(a)內(nèi)部流腔的混合旋流情況作比較，發(fā)現(xiàn)在相同壓力(3 MPa)下，單噴嘴噴頭在噴頭出口底部產(chǎn)生非常明顯的旋流，但是在噴頭的內(nèi)部流腔中后部，單噴嘴噴頭的混流情況要比多噴嘴組合式噴頭更明顯。在出口速度方面，多噴嘴組合式噴頭的出水速度略低于單噴嘴噴頭，但是出水速度差距不明顯。

(a)單噴嘴

(b)多噴嘴

圖4 2種噴頭內(nèi)部流腔混流效果對比圖

從圖5以及圖6可以看出，隨著測試水壓的提高，多噴嘴組合式噴頭在實(shí)驗壓力(3、5、7、9 MPa)核心區(qū)噴射角度并無明顯變化，僅在一個非常小的范圍內(nèi)產(chǎn)生波動。說明當(dāng)測試水壓處于中高壓階段時，水霧的噴射角度與測試水壓并沒有明顯關(guān)系，結(jié)合之前課題組的研究情況，在中高壓階段，噴頭的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)與水霧噴射角度有關(guān)。

圖5 噴頭噴射角度與測試壓力關(guān)系圖(5 MPa)

圖6 核心區(qū)噴射角度比較結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，隨著測試水壓的提高，水霧的出口速度有明顯的提升(見圖7)，軸向動量增大，霧滴穿透火焰的能力增強(qiáng)。

圖7 測試水壓與水霧出口速度的關(guān)系

3 實(shí)驗結(jié)果分析

由于噴頭的霧化機(jī)制十分復(fù)雜，單純的理論分析和數(shù)值模擬是不夠的，必須進(jìn)行實(shí)驗[8]；故筆者所在課題組于2014年4—5月在西華大學(xué)流體及動力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗室的噴霧臺實(shí)驗臺架上和室外對多噴嘴細(xì)水霧滅火噴頭依次在不同壓力工況下噴頭的霧化性能、霧化錐角、流量、水平噴射距離進(jìn)行了實(shí)驗測量。

分別從2個角度觀察多噴嘴組合式噴頭的霧化錐角，如圖8所示。提升測試水壓，多噴嘴組合式噴頭的總體霧化錐角會隨著壓力的提升而降低，測試壓力在3.5 MPa之后，曲線變化比較平緩，說明壓力在3.5～8 MPa之間變化時，霧化錐角的變化不大。在2.5 MPa壓力工況下分別對單噴嘴噴頭和多噴嘴組合式噴頭進(jìn)行霧化錐角測量比較，噴霧保護(hù)錐角從單噴嘴噴頭的59°增加到多噴嘴組合式噴頭的114°，噴霧保護(hù)錐角增幅達(dá)到93%，噴頭的保護(hù)半徑增大，提高了噴頭的滅火效能。多噴嘴組合式噴頭噴霧效果如圖9所示。

圖8 霧化錐角與測試水壓關(guān)系

圖9 多噴嘴組合式噴頭噴霧效果(測試水壓5 MPa)

多噴嘴組合式噴頭的流量、流量特性與水壓關(guān)系如圖10、11所示。通常認(rèn)為，在噴頭出口孔徑一定的條件下，只要提高工作壓力流量就會增加[9]。根據(jù)圖中所示曲線，曲線變化較平緩，流量的變化速度小于壓力的變化速度。這是由多噴嘴組合式噴頭內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)引起的。在2.5 MPa壓力工況下的單噴嘴噴頭與多噴嘴組合式噴頭相比，流量特性系數(shù)K從單噴嘴噴頭的1.99增大到多噴嘴組合式噴頭的8.02。多噴嘴組合式噴頭由5個相同的單噴嘴組成，多噴嘴組合式噴頭實(shí)際流量節(jié)省了約20%。

圖10 多噴嘴組合式噴頭流量與測試水壓關(guān)系

圖11 多噴嘴組合式噴頭流量特性與測試水壓的關(guān)系

如圖12所示，隨著壓力的提高噴霧水平距離有明顯的提升。根據(jù)實(shí)際需求，噴頭安裝的適用高度取決于噴霧射程的大小[10]。從圖12中可看出，組合式噴頭的水平噴射距離隨水壓力的提高而提高，噴頭安裝的適用高度范圍比較廣泛。

圖12 多噴嘴組合式噴頭水平噴射距離與水壓的關(guān)系

4 結(jié)論

課題組設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)緊湊、流道壓力損失小、有效保持了各個單噴嘴的霧化特性、實(shí)用于細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的新型多噴嘴組合式直旋流結(jié)構(gòu)的細(xì)水霧噴頭，并對其進(jìn)行了噴霧數(shù)值模擬與實(shí)驗研究，得到以下結(jié)論。

1)在2.5 MPa壓力工況下分別對單噴嘴噴頭和多噴嘴組合式噴頭進(jìn)行霧化錐角測量比較，噴霧保護(hù)錐角從單噴嘴噴頭的59°增加到多噴嘴組合式噴頭的114°，噴霧保護(hù)錐角增幅達(dá)到93%，噴頭的保護(hù)半徑增大，提高了噴頭的滅火效能。

2)在2.5 MPa壓力工況下的單噴嘴噴頭與多噴嘴組合式噴頭相比，流量特性系數(shù)K從單噴嘴噴頭的1.99增大到多噴嘴組合式噴頭的8.02。多噴嘴組合式噴頭是由5個相同的單噴嘴組成，多噴嘴組合式噴頭實(shí)際流量節(jié)省了約20%。

3)多噴嘴組合是噴頭滅火保護(hù)區(qū)域，5個噴嘴之間不會形成霧滴的相互干擾，細(xì)水霧的軸向動量沒有損失，可以保證細(xì)水霧的順利形成。

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(編校：夏書林)

DesignofCombinedMulti-nozzlewithPerpendicularIncidenceRotationalFlowAtomizationWaterMist

HUA Dan1, LI Qing-gang1*,TANG Bei1, GE Kai1,CHENG Hua-you2

(1.SchoolofEnergyandEnvironment,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.ChengduWeisiteFire-FightingEquipmentCo.,Ltd,Chengdu611730China)

By the means of numerical simulation and experiment, a new type of combined multi-nozzle with perpendicular incidence rotational flow atomization water mist is designed to overcome the shortage of small radius and low density distribution that are innate for single-nozzle . The results of numerical simulation and experiment show thatunder the same pressure, the angle of multi-nozzle is 114°, while the angle of single-nozzle is 59°.The angle can increase 93% to the fullest extent. In addition, the flow coefficient K of the multi-nozzle is 8.02, which is larger than that of the single-nozzle (1.99). Moreover, the multi-nozzle can save about 20% water, and the 5 sub-sprinkle head are interference-free.

multi-nozzle; water mist; combined nozzle; numerical simulation

2014-10-16

流體及動力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗室基金項目(szjj2013-010);西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目(YCJJ201384);西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目(YCJJ2014070)。

：李慶剛(1956—)，男，教授，碩士，主要研究方向為流體機(jī)械及工程。E-mail:lqg@mail.xhu.edu.cn.

TK7；O351

：A

：1673-159X(2015)02-0108-5

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.02.022

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