貯木場火災細水霧噴頭結構改進與CFD仿真

辛 穎，秦奮起，李耀翔，邢 濤，馮國紅，

侯衛萍，楊鐵濱，方海峰

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

貯木場是原木生產、貯存和銷售的場所[1-2]，由于原木貯存量大，堆積的時間長，容易出現陰燃，形成大面積火災的危險性大，一旦發生火災難于撲救。傳統的針對貯木場的滅火方式主要有水噴淋和采用哈龍為滅火劑的滅火形式，這兩種方式都有明顯的缺點。水噴淋的滅火效率較低，對貨物損壞嚴重；哈龍滅火劑是利用鹵代烷的復雜鏈式反應達到滅火作用，反應過程中可以產生大量的活性自由基，這些自由基與大氣中的臭氧反應，使臭氧層產生空洞，對環境危害較大。細水霧滅火技術是一種新型的滅火技術，它的基本原理是將液態水霧化，通過增加液滴與火焰的接觸面積、對燃燒物的空氣隔離、沖蝕火焰等作用使滅火的效率成倍地增加，不會產生二次污染[3]，對于易燃類、易爆類物品的滅火效果好，對于貯木場的火災是一種較好的滅火方式。

影響細水霧滅火效果的因素很多，如：填加的催化劑類型，外界壓力，細水霧噴頭結構等，其中細水霧噴頭的結構是影響細水霧滅火技術一個最重要的因素，不同結構的細水霧噴頭可以在相同的外界壓力下產生不同的細水霧質量。根據目前現有細水霧噴頭的常用結構，提出了增加多級霧化機構來改進細水霧噴頭的方法，并對改進前后的噴頭效果進行模擬，模擬發現，該方法可以改善細水霧的質量，提高細水霧的滅火效率。

1 細水霧滅火方式概述

在美國的消防聯合會制定的用于規范細水霧技術的NPFA750標準中，細水霧定義為：是指在最小的設計工作壓力下，在距離噴嘴1 m處的平面上，在水霧最粗處的水微料99％的直徑體積直徑(Dv0.99)不大于1 000 μm。通常一般的水噴淋這一參數在5 000 μm以上[4-5]。

按照細水霧中霧化得到的水微粒的大小，一般將細水霧分成三級，如圖1所示。

圖1 細水霧霧徑分級圖

隨著數值計算方法、氣體動力學、流體動力學、兩相流體動力學及CFD模擬與仿真技術的迅速發展，使細水霧噴嘴的設計日趨系統化[4]。目前，人們已經開發了很多不同類型的噴嘴，結合霧化的原理，細水霧在消防方面的霧化噴頭可分成四類：旋轉式、壓力式、氣動式和其它式。旋轉式噴頭是將水通過高速旋轉的圓盤、圓杯或甩油盤等，由于離心力的作用，水將被甩出在表面張力的作用下實現霧化，壓力式噴頭是借助壓力的作用實現霧化的，氣動式噴頭是利用氣體與液體之間的相互擠壓、剪切的作用實現液體的霧化，有的噴頭是利用超聲或靜電技術來實現的霧化的。其中，結構最為常見的是壓力式噴頭[6]。

2 壓力式單回路噴頭的改進

本文初步選取壓力式噴嘴結構，具體型號選用單路噴嘴，該種噴頭形成的細水霧的霧動量較大、射程較大，可以滿足貯木場消防要求的霧動量大，射程大的要求，不足的是難以滿足霧化錐角，霧粒均勻度的要求，因此需要對不足之處做針對性的改進。

本文通過設計二級霧化結構的噴嘴改進霧粒均勻度的問題，提高射程，使滅火的方向更容易調節，使其對貯木場滅火要求更加適應，其結構如圖2所示。

圖2 二級霧化機構示意圖

3 CFD仿真模擬

3.1 CFD仿真模擬的模型

本文采用Fluent軟件進行模擬，繪制圖形后，用Gambit劃分網格，導入Fluent中模擬噴頭所形成水霧的速度分布、壓力分布。模擬條件如下：未改進噴頭霧化噴嘴直徑d1為1 mm，長度l1為5 mm；改進后的二級霧化噴嘴的第一級霧化噴嘴與未改進的噴頭的噴嘴尺寸相同，第二級霧化噴嘴的直徑d2依次取1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.0 mm；相應的長度l2取5.0 mm。借助模擬的速度場圖和密度場圖，來確定能形成最好滅火性能的細水霧的第二級噴嘴的最優尺寸。

模擬的條件為：為了便于模擬對噴嘴進行一定的簡化，對稱的網格采用非結構外的網格技術來建立，為了快速求解將網格劃分為24 000個，將噴霧空間設置噴霧軸向l×噴霧徑向r為6 m×2 m，輔相為流體水，主相氣態空氣，不考慮其它的條件變化。

初始條件為：噴嘴的內部為流體水，外部為空氣，噴嘴入口處為外界壓力入口，設為高壓3 MPa，噴嘴出口處為壓力出口，設為一個標準大氣壓[8]。

為了對比改進后的二級霧化結構噴嘴與一級霧化結構噴嘴霧化性能，模擬在相同的外界條件下所形成的細水霧的速度場、壓力場和密度場。

3.2 模擬過程

通過Fluent軟件模擬確定最優的尺寸，具體的方法是根據不同的第二級霧化噴嘴的直徑產生的模擬效果，觀察不同的尺寸產生的密度云圖，速度云圖，壓力云圖。密度越均勻表明產生的霧化效果越好，速度云圖與壓力云圖能表明噴霧的動量大小，反映的是其射程，同樣的條件下，射程遠的噴嘴滅火效果較好，所謂較優的尺寸也是以二者為指標的[9-11]。

圖3 不同尺寸的第二級霧化噴嘴的密度云圖

在圖3中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為改進的第二級霧化噴嘴的直徑為1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.0 mm時的密度云圖，可以發現，其密度分布呈現的規律是：二級霧化噴嘴的直徑在1.2～3.0 mm變化時，其霧化的均勻度是呈大概的拋物線變化的，在直徑為2.8 mm附近時的均勻度最好，也即霧化效果最好。

圖4 不同尺寸的第二級霧化噴嘴的速度云圖

在圖4中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為改進的第二級霧化噴嘴的直徑為1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.0 mm時的速度云圖。從這些速度云圖中可以看出，二級霧化噴嘴的直徑在1.2～3.0 mm變化時，其噴霧動量呈大概的拋物線變化的，在直徑為2.8 mm附近時最優。

圖5 不同尺寸的第二級霧化噴嘴的壓力云圖

在圖5中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為改進的第二級霧化噴嘴的直徑為1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.0 mm時的壓力云圖。通過圖5可以看出，隨著二級噴嘴直徑的增大，噴嘴所形成的細水霧霧錐的錐面處的壓力變化較小，其內部的壓力變化較大，在二級霧化噴嘴直徑為2.8 mm時得到的壓力云圖分布明顯較其它尺寸時理想。

上述模擬過程中確定了噴頭的最優結構尺寸后，再進行壓力式單路噴嘴的CFD仿真與模擬，圖6是分別為壓力式單路噴嘴的模擬的密度云圖、速度云圖和壓力云圖。

圖6 壓力式單路噴嘴的模擬圖

3.3 模擬結果分析

密度云圖可以直觀地表現出所形成的細水霧的粒徑的分布，對比二級霧化機構的密度云圖如圖3所示。可以看出二級霧化噴嘴的直徑為2.8 mm時的分布更為均勻；速度云圖可以直觀地表現出噴霧的動量大小，進而表明噴霧的射程大小[12]，對比速度云圖圖4看出二級霧化噴嘴的直徑為2.8 mm時的速度分布更好，直徑為2.8 mm的水霧射程最大，當直徑繼續增大到3.0 mm時，其射程又略微減小，在壓力云圖圖5中也反映了同樣的現象。

綜合以上的速度云圖、密度云圖、壓力云圖的分析，取最優的二級霧化結構的尺寸為2.8 mm，達到霧粒均勻的霧化要求，射程也最優，認為該尺寸是改進結構的理想尺寸。

同時，分析對比改進前后噴頭的密度云圖、速度云圖[13]。密度云圖中，二級霧化機構的霧粒的均勻度明顯高于單級機構，尤其表現在較遠的空間內；壓力云圖中，在二級霧化噴嘴的尺寸為2.8 mm時所形成的內部的壓力優于其它尺寸，表明內部的霧粒更為均勻；速度云圖中，二級霧化機構的速度分布更為合理，其射程有了很大的提高。

4 結 論

本文結合倉貯木場的滅火要求，提出了對壓力式單回路細水霧噴頭的改進結構，并進行CFD的仿真模擬，得出以下結論。

(1)在壓力式單路噴嘴的基礎上，改進為二級霧化機構，提高了霧化的質量。

(2)通過CFD的仿真模擬發現，改進后的二級霧化噴嘴較單級霧化結構性能有了很大的提高，主要表現在細水霧的噴霧動量和射程方面兩個方面。這種高射程、有著更好霧粒均勻度的細水霧可以有效地抑制火勢，快速地控制貯木場易形成大型火災的特點，更符合貯木場的消防要求。

【參 考 文 獻】

[1]辛 穎，薛 偉.貯木場楞堆燃燒溫度場數值模擬試驗[J].西部林業科學，2011，40(3)：28-35.

[2]張佩劍，楊慧敏，楊學春，等.貯木場自動化原木生產實驗教學系統建設[J].森林工程，2011，25(6)：40-41.

[3]王帥軍，辛 穎，劉 念，等.基于fluent的一種細水霧噴頭的設計仿真[J].森林工程，2013，27(3)：100-104.

[4]周 華，鄧 東，周善懷，等.高壓單相流細水霧滅火系統的研制及實驗研究[J].消防科學與技術，2004，4(7)：351-353.

[5]張誠建.消防與環境保護的關系研究[J].河南科技，2012，37(24)：131.

[6]陸春義.細水霧噴霧系統及滅火機理研究[D].南京：南京理工大學，2004.

[7]張 慧.細水霧滅火技術研究[D].太原：中北大學安全技術與工程，2008.

[8]周 華，盧紅祥，鄧 東，等.新型細水霧滅火噴頭的研制[J].液壓與氣動，2006(7)：62-65.

[9]吳雪佳.論細水霧滅火系統的設計[J].消防技術與產品信息，1995(3)：44-50.

[10]Fitch E C.A new theory for the contaminant sensitivity of fluid power pumps [J].The BFPR Journal，1976，6：233-234.

[11]龍 蕓.細水霧滅火系統現狀與應用[J].消防技術與產品信息，2004(12)：63-67.

[12]Arvidson M，Ingason H.Measurement of the efficiency of a water spray system against diesel oil pool and spray fires[M].Sweden：Swedish National Testing and Research Institute，2005.

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