消防車用環(huán)泵式泡沫系統(tǒng)文丘里管結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

胡瑤 劉明岳 劉召華

摘要：以負壓環(huán)泵式泡沫系統(tǒng)文丘里管為研究對象，利用流體仿真模擬計算和試驗測試，對文丘里管的射流管徑、水流量、泡沫液流量、水泵出口壓力、泡沫液入口壓力的關(guān)系進行討論，給出既符合消防車使用工況，又方便加工的文丘里管結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：負壓環(huán)泵式泡沫系統(tǒng);文丘里管;射流管徑;結(jié)構(gòu)設(shè)計;仿真分析

中圖分類號：U469.68 收稿日期：2022—03—19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.013

目前在泡沫滅火系統(tǒng)中，多數(shù)使用壓力式空氣泡沫系統(tǒng)，壓力式空氣泡沫系統(tǒng)分為正壓平衡式泡沫系統(tǒng)和負壓環(huán)泵式泡沫系統(tǒng)。正壓平衡式泡沫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、安裝和使用不方便，使用率低。負壓環(huán)泵式泡沫系統(tǒng)是消防車用泡沫系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的，其中全自動環(huán)泵式泡沫系統(tǒng)擁有輸出恒定泡沫比例的性能，使用更方便，滅火效率更高。

全自動環(huán)泵式泡沫系統(tǒng)主要由控制單元、流量傳感器、控制閥及文丘里管組成。文丘里管利用文丘里原理，當壓力水流經(jīng)文丘里管時，在其腔內(nèi)形成負壓，使得泡沫液容器內(nèi)的泡沫液在大氣壓力作用下被吸到管道內(nèi)與水混合，通過控制系統(tǒng)調(diào)整水與泡沫液的混合比例，形成泡沫水混合液再由車載管路系統(tǒng)噴射進行滅火作業(yè)。文丘里管的結(jié)構(gòu)決定了環(huán)泵式泡沫系統(tǒng)的吸液性能，是保證系統(tǒng)運行的關(guān)鍵裝置。

隨著負壓環(huán)泵式泡沫系統(tǒng)的普遍應(yīng)用，國內(nèi)和國際產(chǎn)品種類多樣，性能差別較大，且成本相差懸殊。本文針對核心結(jié)構(gòu)文丘里管，進行流體仿真模擬計算和試驗測試，討論射流管徑、水流量、泡沫液流量、水泵出口壓力、泡沫液入口壓力之間的關(guān)系，給出適合消防車用的文丘里管結(jié)構(gòu)。

1工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1工作原理

文丘里效應(yīng)也稱文氏效應(yīng)，該效應(yīng)表現(xiàn)在受限流動通過縮小的過流斷面時，流體出現(xiàn)流速增大的現(xiàn)象，其流速與過流斷面成反比：

由伯努利定律知，對1—1和2—2截面列伯努利方程得

高速流動的流體附近產(chǎn)生低壓，從而產(chǎn)生吸附作用。流體在文氏管出口的后側(cè)，即2—2截面，形成一個真空區(qū)，會對管內(nèi)流體產(chǎn)生吸附作用，如圖1所示。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計及水力性能要求

負壓環(huán)泵式泡沫系統(tǒng)如圖2所示，文丘里管入水口與水泵出水口管路連接，泡沫原液入口與泡沫罐相連，混合液口與水泵進水口管路連接;水泵將水加壓分流給泡沫管路，在流經(jīng)文丘里管的噴嘴處時（圖3），過流斷面迅速變小，使水的流速迅速升高。由文丘里管原理可知，在文丘里管的噴嘴處形成真空區(qū)，對泡沫液產(chǎn)生吸附作用，使泡沫液與水混合，流入水泵入口管路4。

水泵的額定流量為60L/s，泡沫比例最高為6%，根據(jù)設(shè)計需求，泡沫液流量至少為6%x60=3.6L/s。

2 數(shù)值模擬分析

2.1物理建模和網(wǎng)格劃分

采用三維建模軟件對圖2的管路結(jié)構(gòu)的流體區(qū)域進行實體建模，將建模得到的文丘里管三維流體域?qū)氲搅鲃泳W(wǎng)格劃分軟件中生成計算網(wǎng)格單元。在保證計算精度的情況下，擴散管劃分網(wǎng)格的密度相對于噴嘴處劃分網(wǎng)格的密度小，同時在現(xiàn)有計算硬件條件下盡可能增多網(wǎng)格單元，網(wǎng)格劃分采取非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格單元總數(shù)在10°以上，將劃分的網(wǎng)格單元導(dǎo)入到流動計算軟件中進行計算。

2.2邊界條件及計算方法

采用了Mixture模型，選擇無滑移速度，本模型中采用粘性模型是k-epsilon的Realizable模型，即k-模型。入口（inlet）設(shè)置為（pressure-inlet），出口（outlet）為壓力出口（pressure—outlet），設(shè)置之后進行初始化，最后進行迭代計算，如果所得的結(jié)果收斂，那么顯示和輸出計算結(jié)果，并進行必要的后處理，如果不收斂，則要改變過程參數(shù)，重復(fù)上述過程直至收斂為止。

2.3計算結(jié)果

由上述模擬結(jié)果可知，當射流管徑為18mm，水泵出口流量為60 L/s，水泵出口壓力為2 MPa時，管道流線分布如圖4，文丘里管進口段流線分布細節(jié)如圖5所示，泡沫管路水流量為17.19 L/s，泡沫液的流量為14.02 L/s，文丘里管泡沫液入口段產(chǎn)生的負壓為—0.31MPa，文丘里管進口段總壓分布如圖6所示，文丘里管的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計需求。

2.3.1水泵出口壓力變化6

保持射流管徑和水路流量不變，現(xiàn)改變水泵出口壓力，通過仿真模擬得到不同工況下管路中的流動參數(shù)表（表1）。

通過數(shù)據(jù)擬合得到泡沫液流量和水泵出口壓力的表達式及曲線圖（圖7）。

由理論計算可知，水泵出口壓力為0.8 MPa時，吸入泡沫液流量為8.83 L/s，遠大于所要求的泡沫流量3.6 L/s，說明當射流管徑為18mm時，此文丘里管能夠滿足使用需求。但當水泵出口壓力為2 MPa時，用于內(nèi)循環(huán)的水流量為17.19 L/s，約為水泵總排量的30%，耗能巨大。且實際工作中用于吸入原液的最大負壓不超過1個大氣壓即0.1MPa，而文丘里管所產(chǎn)生的負壓分別為—0.13 MPa、—0.16 MPa、-0.19 MPa、-0.22 MPa、-0.25 MPa、-0.28 MPa、-0.31MPa， 由此可知文丘里管的射流管徑還具有較大的改善空間。

2.3.2射流管徑變化

保持水泵出口壓力為0.8 MPa不變，改變射流管徑，得到水流量和泡沫液流量的關(guān)系表（表2）和相關(guān)關(guān)系曲線（圖8）。

由上述結(jié)論可知，當射流直徑變小時，水流量和泡沫原液流量都會隨之減小，且水流量減小速度比泡沫原液流量減小速度更快。為了滿足泡沫原液流量大于3.6 L/s的設(shè)計要求，在圖8中讀取數(shù)據(jù)，當泡沫原液的流量為3.6 L/s時，射流管徑為6mm。當射流管徑小于6mm時，文丘里管結(jié)構(gòu)不符合設(shè)計要求。

當射流管徑為10mm時，水流量為2.9 L/s，約占總流量的4.8%，即使水泵出口壓力為2 MPa時，水流量也僅為4.62 L/s，占總流量的7.7%，水流損耗小;在0.8 MPa和2 MPa的條件下，泡沫液流量分別為5.47 L/s、8.85 L/s，都小于3.6L/s，滿足設(shè)計要求。

考慮到實際加工難度，射流管徑越小，文丘里管加工難度就越大，要求的精度越高。所以，射流管徑取8～10mm時，既符合消防車使用工況，又方便加工制造。

3 試驗測試

制作射流直徑為10 mm的文丘里管，與負壓環(huán)泵式泡沫系統(tǒng)的其他裝置，共同安裝于實車上，按實際使用工況進行打泡沫試驗（圖9）。水流量和泡沫液流量監(jiān)測采用葉輪式，監(jiān)測偏差在5%以內(nèi)。根據(jù)水泵流量（在8～90 L/s之間）實時調(diào)節(jié)泡沫流量：使用混合比為3%的泡沫時，泡沫混合液精度要求為混合比在3%～4%;使用混合比為6%的泡沫時，泡沫混合液精度要求為混合比在6%～7%。得到試驗數(shù)據(jù)表，如表3所示。

4 結(jié)語

射流管徑為18mm，水泵出口流量為60 L/s，當水泵出口壓力在0.8～2 MPa范圍內(nèi)，泡沫原液流量均大于3.6L/s，滿足設(shè)計對泡沫原液流量的需求。但水流量占總流量比例較大，存在較大能量損耗，且文丘里管產(chǎn)生的真空度超出實際所需真空度。

當射流直徑變小時，水流量和泡沫原液流量都會隨之減小，且水流量減小速度比泡沫原液流量減小速度更快。當泡沫原液的流量為3.6 L/s時，射流管徑為6mm。當射流管徑小于6mm時，文丘里管結(jié)構(gòu)不符合設(shè)計要求。

當射流管徑為10mm時，水泵出口壓力在0.8～2 MPa內(nèi)，水流量占總流量比小于7.7%，泡沫原液流量都大于3.6 L/s，滿足設(shè)計需求且水流損耗小。考慮到實際加工難度，射流管徑越小，文丘里管加工難度就越大，要求的精度越高。所以，射流管徑取8～10mm時，既符合消防車使用工況，又方便加工制造。

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