手持式滅火噴射器管型設計

牛鵬宇 張義 王正藍 張金泉 魏旭旺

摘 要：對于設計的手持式滅火噴射器，主要通過產生氣體壓力噴射干粉粉粒。而不同管型的噴射器對管內外氣粉流的運動狀態有決定性作用。管型的不同，其氣粉流的沿程阻力和管內速度均會發生變化。為了了解不同管型對噴射性能的影響，分別對漸縮噴嘴型、漸縮尾擴型和直管噴嘴型三種噴射管的噴射流場進行數值模擬，分析在噴射管管型不同時，管內外氣粉流速度的變化規律。

關鍵詞：手持式噴射器；噴粉速度；仿真

1 引言

近年來，消防人員在面對各種各樣的火災時，使用的滅火器種類繁多。新設計的手持式滅火噴射器，具有結構便攜、噴射迅速的特點，為消防人員提供了更多的滅火選擇；GAMBIT建模軟件可以構建仿真模型，FLUENT流體軟件能夠較為逼真的模擬出氣粉二相流，以便進行相關數據的分析。

2 不同管型方案設計

噴射管是手持式滅火噴射器的主要部件，其結構尺寸的確定對噴射性能有很大影響，通過設計噴射管的不同管型、管長和出口直徑，從而研究得出最佳噴射管結構。

管型之間的變化，本質上是管體不同階段的漸縮變化，為了清楚不同管型的變化規律，以漸縮尾擴型噴射管結構尺寸為基礎，研究管型變化規律。下面對漸縮噴嘴型、漸縮尾擴型和直管噴嘴型三種噴射管進行三維建模。

根據同類產品規格，結合所選風機出口的尺寸，初步確定不同管型噴射管氣流入口直徑D=104mm、顆粒入口直徑dr=26mm、中心軸線管長L=1290mm。

表1 不同管型初始尺寸

氣流入口 顆粒入口直 漸縮管長 直管段直 出口直徑 噴嘴長度 管長

直徑D/mm 徑dr /mm 度L1/mm 徑d1/mm d2 /mm L2 /mm /mm

其余各管型尺寸標注如下。

3 數值模型建立與求解

噴射器的管內和管外為氣固兩相，氣相連續、固相離散，兩相均為不可壓縮相，流場具有低速和持續的特點，顆粒的運動需要穩態跟蹤。氣固兩相流模型選用顆粒軌道模型；湍流模型選用標準k- 模型。

3.1 網格劃分

在GAMBIT軟件中進行參數設置，Elements：Quad；Type：Submap；Intervel size：2，并對網格進行劃分。

3.2 邊界條件設置

3.2.1 氣流入口邊界條件的設置

由于入射氣流是宏觀低速，通過測試得到入口速度約為38.8m/s，出口速度在100m/s以下，氣流入口設置為速度入口。

（a）漸縮噴嘴型噴射管尺寸標注圖

（b）漸縮尾擴型噴射管示意圖

（c）直管噴嘴型噴射管尺寸標注圖

圖1不同管型型噴射管尺寸標注圖

3.2.2 顆粒入口邊界條件的設置

顆粒入口速度為宏觀低速，粉流為不可壓縮流動，顆粒入口設置為速度入口。

3.2.3 出口邊界條件設置

相比于自由出流（outflow）而言，壓力出口（pressure-outlet）更容易收斂，對于出口有回流的問題，壓力出口能更好的解決。因此，出口邊界設置為壓力出口。

3.3 數值模擬結果分析

氣固兩相相間耦合，存在滑移，氣體作為推動動力源，其速度大于顆粒速度，氣粉流耦合后的氣固兩相速度取平均值。噴射器的近口流場速度對射程的影響非常大，重點分析中心軸線上的速度變化。

3.3.1 漸縮噴嘴型噴射管

1）速度流場圖 2）速度位移圖

3.3.2 漸縮尾擴型噴射管

3）速度流場圖 4）速度位移圖

3.3.3漸縮尾直型噴射管

5）速度流場圖 6）速度位移圖

圖2不同管型速度分析

圖3不同管型噴射近口流場速度位移

4 結語

噴射管管型變化的本質是管體不同階段漸縮角的變化。管體漸縮角增大時，氣粉流在管內速度增大。有漸縮型噴嘴的噴射管，氣粉流出口處速度值并沒有達到最大，而是在出口外的一小段距離上速度達到最大值。不同管型在噴射近口流場核心射流區的長度不相等，且可以計算。

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