基于fluent的一種細水霧噴頭的設計仿真

王帥軍，辛 穎，劉 念，王 夢，金 彪

(東北林業大學工程技術學院，哈爾濱 150040)

“細水霧”是相對于“水噴霧”的概念，指使用特殊噴嘴產生的最大粒徑小于1 mm、平均粒徑小于400 mm的水粒。作為哈龍替代物的細水霧，由于在滅火過程中相對于傳統的滅火方式具有很多優勢，目前在滅火方面受到了廣泛重視。細水霧滅火有很多特點，由于細水霧顆粒直徑特別小，用水量很小，而在滅火的過程中，速度又比較快，壓力也可以保持在一個合適的水平，滅火效率非常高。細水霧滅火還有環保安全的特點，以水做為滅火介質，對環境無污染，符合現代社會的發展要求，并且由于細水霧對紙張的破壞力特別小，如果是應用在高校的圖書館和一些檔案室也是非常合適的。

1 細水霧霧化機制

細水霧出現已有一個世紀的時間，針對其霧化機制，很多學者做了大量研究［1－2］，但其霧化機理非常復雜至今仍沒有形成一種能夠全面解釋水的霧化的通用模型。

目前根據現有的成果來看，液體的霧化過程非常復雜，但從宏觀的方向來說，就是讓具有一定速度的水流通過一個具有特殊結構的噴頭，使水流在其中被破碎成為由許多微小顆粒組成的液滴群［3］，再具體一點來看的話，細水霧的生成可以分解為兩個過程［4］。首先，迫使水流通過特定設計的流道(即細水霧噴頭內部流道)并形成很細的水射流或很薄的水膜;然后，射流或薄膜與大氣因強烈的相互作用而破碎成細小的水滴，即細水霧。根據國內外目前的研究成果及產品情況，細水霧的成霧原理有很多種［5］。水流變成水霧是水流的破碎過程，有很多使水流變成水霧 (即水顆粒)方法，大致來說，一是撞擊模型。譬如可以使水流與水流，氣體，金屬表面等來得到細水霧;二是離心型。就是讓水流高速離心轉動來時水流變成細水霧;三是分子運動型。利用超聲波等手段或直接加熱使水分子分離來得到細水霧。

不同的成霧方式得到的細水霧品質參差不齊，關于細水霧品質有比較完善的評價指標，主要有:噴霧角度、霧錐形狀、噴霧強度、噴霧射程、霧化均勻度、霧化細度、霧粒大小及其分布、霧通量、霧滴動量等。其中霧滴直徑大小決定了霧滴穿透火羽流的能力和在火羽流中滯留的時間［6－7］，是比較重要的一個評價指標;噴霧角度影響滅火范圍的大小;霧化均勻度用液滴的直徑變化范圍來確定:被霧化了的液滴的最大直徑和最小直徑之差愈小，則均勻度愈好［8］。

2 霧化噴頭結構模型

噴頭由兩部分通過螺紋連接構成，結構簡圖如圖1所示。上部是注水孔的位置，中間一個直射孔(D1表示直徑)，周圍有三個斜射孔 (D2表示直徑)，斜射孔與垂直線成一定角度，直射孔產生的直流與其周圍的斜射孔產生的旋流混合在一起形成具有直射流和旋流的強烈紊流運動，最后從噴頭的噴嘴節流口 (D3表示直徑)射出形成細水霧。該噴頭結構簡單，體積小，能夠保持細水霧的軸向動量，同時，由于旋流的存在，擴大了高壓水霧的霧化角。

圖1 噴頭二維圖Fig.1 Two-dimensional image of the nozzle

噴頭的直射口、斜射口和噴嘴對于噴頭來說是三個關鍵的尺寸，尺寸的選擇對噴頭的噴射效果有一定影響。噴嘴節流口D3的尺寸應該盡量小，可以減少耗水量、減小霧滴直徑，但要保證不被雜質堵住。直流孔D1和斜射孔D2是保證噴頭具有較好的徑向和軸向動量的關鍵參數。本文主要通過考慮D1、D2、D3三個尺寸的關系對細水霧進行仿真。在初步的設計中，取D3為0.8～1.6 mm。設i=D1/D2，取i為1/3～2，設j=L/D3，j為1/2～4，設斜射孔與垂直線夾角為a，對不同i、j、a組合而成的不同結構的細水霧噴頭進行fluent參數實驗。

3 噴頭的fluent仿真

采用Pro/E設計噴頭的結構圖，再將結構圖導入fluent的前處理軟件gambit中，并用非結構化網絡對三維立體進行網格劃分，對噴嘴節流孔及外部軸線附近的流場區域進行網格加密。噴頭內部及流場空間的網格劃分如圖2所示，噴頭速度矢量圖如圖3所示。

圖2 噴頭內部及流場空間的網格劃分Fig.2 Mesh inside nozzle and the flow space

從圖3看出，得到的射流有很大廣度，軸向量大，覆蓋范圍較大，同時霧滴顆粒分布均勻，且具有較大的旋流。

3.1 節流孔長度與直徑之比對霧化效果的影響

噴嘴節流孔的直徑和長度是影響細水霧質量和滅火性能的關鍵參數［9］，故在實驗中把不同節流孔長度與節流孔直徑D3組合做為研究變量。選擇的節流孔長度與直徑之比如表1所示，L/D3取不同值時的噴頭軸向的速度分布如圖4所示，L/D3取不同的值時噴頭口截面的徑向速度如圖5所示。

表1 節流孔長度與直徑之比 (D1=2mm，D2=3mm)Tab.1 The orifice length to diameter ratio(D1=2mm，D2=3mm)

圖3 噴頭速度矢量圖Fig.3 Nozzle velocity vector diagram

由圖4可知，當L/D3取值2時，射流速度最高;由圖5可知，當L/D3取值1～2時，可以得到徑向速度較高的細水霧，并且可以保持較大的范圍;綜合分析知道，當j(L/D3)取值2時，可以使噴頭得到軸向速度和徑向速度都較大的射流。

圖4 當L/D3取不同值時的噴頭軸向速度分布圖Fig.4 The velocity profile of the head of axial under different L/D3values

3.2 直流孔D1和斜射孔D2比值對霧化效果的影響

直流孔D1和斜射孔D2直徑的大小對噴霧質量有很大影響。由理論分析可知:直流孔直徑越大，直射流的強度就越大;斜射孔直徑越大，旋流的強度就越大［7］。但中央進口和其周圍進口不可以沒有限制的變大，因此它們不同數值的組合值得實驗，以確定最佳組合。選擇的直流孔D1與斜射孔D3之比如表2所示，不同直流孔D1與斜射孔D2比值i的組合的軸向速分布如圖6所示。

圖5 當L/D3取不同的值時噴頭口某一截面的徑向速度Fig.5 The radial velocity of a certain section of the nozzle hole when L/D3takes different values

表2 選擇的直流孔D1與斜射孔D2之比(D3=1mm，L=2mm)Tab.2 The ratio of hole D1and D2(D3=1mm，L=2mm)

由圖6可以看出，當D1/D2為1.5時，射流的軸向速度最高，且可以在較大范圍內保持一個較大速度，對火苗可以實現較為深度的撲滅。綜合以上可以知，D1/D2為1.5是一個較好的選擇。

3.3 斜射孔的傾角對霧化效果的影響

斜射孔的傾角對射流的直射強度和旋轉強度有重要影響。傾角越大，射流的旋轉強度會增大，但是射流的直射強度會變小。因此，尋找一個較為合適的傾角就顯得尤為必要。為了研究不同傾角的影響，選取D1=2 mm，D2=3 mm，D3=1 mm，L=2 mm，研究斜射孔的傾斜角為30°、45°和60°的霧化效果。圖7～圖9分別是斜射孔的傾斜角為30°、45°和60°的計算域內的軸向速度，圖10～圖12分別是是斜射孔的傾斜角為30°、45°和60°的細水霧最大軸向速度端面的切向速度。

圖6 不同直流孔D1與斜射孔D2比值i的組合的軸向速度分布圖Fig.6 The combination of different DC axial hole D1and the oblique hole D2i ratio and the velocity distribution

圖8 傾斜角為45°時的計算域內的軸向速度Fig.8 The computational domain for the axial inclined angle 45 degrees

圖10 傾斜角為30°時細水霧最大軸向速度端面的切向速度Fig.10 The tangential velocity of the end of the maximum axial velocity of water mist when title angle is 30 degrees

圖9 傾斜角為60°時的計算域內的軸向速度Fig.9 The computational domain for the axial velocity of inclined angle 60 degrees

圖11 傾斜角為45°細水霧最大軸向速度端面的切向速度Fig.11 The tangential velocity of the end of the maximum axial velocity of water mist when title angle is 45 degrees

圖12 傾斜角為60°時細水霧最大軸向速度端面的切向速度Fig.12 The tangential velocity of the end of the maximum axial velocity of water mist when title angle is 60 degrees

從圖7～圖9可知在不同的軸向距離上軸向速度曲線均有一個最大的速度值，當a取30°時的軸向速度遠比取其他角度時的大;從圖10～圖12可知，切向速度曲線是一條有一個主峰的曲線，顯然30°時的切向速度較大。因此，斜射孔的傾斜角為30°是一個較好的選擇。

4 結論

論文設計了一種直射—旋流噴頭，噴頭結構通過pro/E設計，得到的細水霧的參數通過Fluent軟件得到，通過綜合的比較優化了噴頭的結構參數。

通過模擬實驗可以知，當L/D3取2，D1/D2取1.5，斜射孔的傾斜角為30°時，噴頭在霧化過程中既產生了較大的直射流分量，也有較大的旋流分量。

【參 考 文 獻】

［1］范明豪，周 華，楊華勇．高壓細水霧滅火噴嘴的霧化特性研究［J］．機械工程學報，2002，38(9):17 －21．

［2］何 楓，謝峻石，楊京龍．噴嘴內部流道型線對射流流場的影響［J］．應用力學學報，2001，18(4):114 －119．

［3］張 勇．船舶細水霧滅火系統中機械式噴嘴的研究［D］．大連:大連海事大學，2007．

［4］吳曉偉，劉東岳，吳一紅．高壓細水霧噴頭的特征參數分析及設計要點［J］．消防技術與產品信息，2005(12):16－18．

［5］盧建宇．船舶機艙細水霧自動滅火系統研究［D］．大連:大連海事大學，2008．

［6］辛 穎，薛 偉，李雙玉．原木楞堆細水霧滅火過程數值模擬［J］．消防科學與技術，2012(1):43 －45．

［7］卞 偉，薛 偉．貯木場楞堆火滅的實驗研究［J］．森林工程，2006，22(3):1 －4．

［8］王靜立．高壓細水霧噴嘴及其滅火性能的研究［D］．武漢:華中科技大學，2005．

［9］何光華，周智力，弓永軍，等．直射一旋流霧化細水霧噴頭設計與仿真［J］．機床與液壓，2008，36(10):80 －84．