多噴嘴組合式直旋流細水霧滅火噴頭設計

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(1.西華大學能源與環境學院，四川 成都 610039； 2.成都威斯特消防機械有限公司，四川 成都 611730)

·能源與環境·

多噴嘴組合式直旋流細水霧滅火噴頭設計

華 丹1，李慶剛1*，唐 孛1，葛 凱1，成華友2

(1.西華大學能源與環境學院，四川 成都 610039； 2.成都威斯特消防機械有限公司，四川 成都 611730)

為解決單噴嘴直旋流細水霧滅火噴頭在噴霧保護半徑小以及噴霧密度分布方面的局限性，采用數值模擬與實驗研究相結合的方法，設計一種新型多噴嘴組合式直旋流結構的細水霧滅火噴頭。數值仿真和實驗結果表明：在相同壓力工況下多噴嘴組合式直旋流細水霧滅火噴頭與單噴嘴直旋流細水霧滅火噴頭比較，噴霧保護錐角從單噴嘴噴頭的59°增加到多噴嘴組合式噴頭的114°，噴霧保護錐角最高增幅達到93%，流量特性系數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際流量節省了約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；細水霧；組合式噴頭；數值仿真

隨著鹵代烷系列滅火劑逐步面臨限制和淘汰，細水霧滅火系統因具有無環境污染、滅火效率高、耗水量少、對保護對象破壞性小等優點顯示出廣泛的應用前景，目前已成為國內外火災科學前沿研究的熱點。由于細水霧滅火噴頭內外部兩相湍流運動的復雜性，目前工程應用的細水霧滅火噴頭的霧化效果仍然不太理想，因此有必要對細水霧滅火噴頭的結構和霧化性能進行深入研究[1]。同時，針對已開發的單噴嘴直旋流細水霧滅火噴頭在噴霧保護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水霧滅火噴頭進行有效的組合，既發揮單噴嘴直旋流細水霧滅火噴頭在滅火效能方面的優勢，又可以彌補單噴嘴直旋流細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生霧化干擾[2]。

1 多噴嘴組合式直旋流細水霧噴頭的結構

1.1設計思路

課題組在對單噴嘴直旋流細水霧滅火噴頭進行理論研究與實驗研究及實際應用中，發現單噴嘴直旋流細水霧滅火噴頭在滅火效果上有很好的表現[3]，但是還存在不足，由于滅火覆蓋面積有限，應用在一些大空間范圍內，需要布置數個滅火噴頭，才能達到預期滅火效果；因此，我們設想把這種結構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水霧滅火噴頭滅火效果的基礎上，彌補其在保護半徑上的不足，增大該噴頭的防火保護范圍。在多噴嘴組合式直旋流細水霧滅火噴頭的內部結構方面，既要保證水流可以在流腔內充分混合，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生霧化干擾，其次要保證增加滅火保護面積后，滅火效率的其他指標不受影響或者其所造成的影響在可以控制的范圍內，最后考慮到工程應用上的經濟性，在不影響滅火效果的前提下，盡量增加噴嘴的個數。

1.2多噴嘴組合式直旋流細水霧噴頭的結構

多噴嘴組合式直旋流細水霧滅火噴頭采用5個噴嘴組合結構，使用的噴嘴為課題組教學理論與實驗研究的單噴嘴直旋流結構細水霧噴頭，該噴頭已獲得國家發明專利。為了減少多噴嘴組合式直旋流細水霧噴頭的壓力損失，在結構設計時需要多噴嘴組合式直旋流細水霧噴頭的結構緊湊；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生霧化干擾，否則會影響液滴的碎裂以及細水霧的形成。多噴嘴組合式直旋流細水霧滅火噴頭結構是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水霧滅火噴頭的噴嘴數是5個，其結構見圖1。

2 多噴嘴組合式直旋流細水霧噴頭的數值模擬

2.1數學模型

細水霧噴頭的霧化過程是極其復雜的，涵蓋了混合旋流、湍流、兩相流、空氣連續相破裂、霧滴碰撞等，目前有多個描述該類流場的數學模型[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水霧噴頭結構

pk-ρε；

(1)

(2)

式中Cε1、Cε2、σk、σε為常數。

本文設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力τω成對數關系，其關系式為

(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為壁面切應力；k為Karman常數；C為與壁面粗糙程度相關的對數層常數。

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

(4)

又因為在湍流區域,k值不可完全為零，據此可得uτ的直接方程

(5)

式中量綱一距離y*的計算式為

(6)

壁面剪切應力τω的絕對值由下式得出：

τω=ρu*uτ[5]。

(7)

2.2網格劃分與流場的設定

多噴嘴組合式直旋流噴頭內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，網格劃分見圖2。同時，為了保證精度，在噴嘴處進行了網格局部加密，噴嘴外部流場局部網格放大見圖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。為提高計算的準確性，根據流場的壓力梯度進行網格的自適應調整，并通過動態改變步長進行非穩態計算來加速計算的收斂[7]。

圖2 多噴嘴組合式噴頭網格劃分

圖3 外部流場局部網格放大

2.3數值模擬結果分析

由于多噴嘴組合式直旋流細水霧滅火噴頭相較于單噴嘴直旋流細水霧滅火噴頭來說，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)內部流腔的混合旋流情況與單噴嘴噴頭(a)內部流腔的混合旋流情況作比較，發現在相同壓力(3 MPa)下，單噴嘴噴頭在噴頭出口底部產生非常明顯的旋流，但是在噴頭的內部流腔中后部，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驗壓力(3、5、7、9 MPa)核心區噴射角度并無明顯變化，僅在一個非常小的范圍內產生波動。說明當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系，結合之前課題組的研究情況，在中高壓階段，噴頭的內部流道結構與水霧噴射角度有關。

圖5 噴頭噴射角度與測試壓力關系圖(5 MPa)

圖6 核心區噴射角度比較結果

根據數值模擬的結果，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。

圖7 測試水壓與水霧出口速度的關系

3 實驗結果分析

由于噴頭的霧化機制十分復雜，單純的理論分析和數值模擬是不夠的，必須進行實驗[8]；故筆者所在課題組于2014年4—5月在西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室的噴霧臺實驗臺架上和室外對多噴嘴細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、水平噴射距離進行了實驗測量。

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行霧化錐角測量比較，噴霧保護錐角從單噴嘴噴頭的59°增加到多噴嘴組合式噴頭的114°，噴霧保護錐角增幅達到93%，噴頭的保護半徑增大，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、流量特性與水壓關系如圖10、11所示。通常認為，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部流道的結構引起的。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際流量節省了約20%。

圖10 多噴嘴組合式噴頭流量與測試水壓關系

圖11 多噴嘴組合式噴頭流量特性與測試水壓的關系

如圖12所示，隨著壓力的提高噴霧水平距離有明顯的提升。根據實際需求，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系

4 結論

課題組設計了一種結構緊湊、流道壓力損失小、有效保持了各個單噴嘴的霧化特性、實用于細水霧滅火系統的新型多噴嘴組合式直旋流結構的細水霧噴頭，并對其進行了噴霧數值模擬與實驗研究，得到以下結論。

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行霧化錐角測量比較，噴霧保護錐角從單噴嘴噴頭的59°增加到多噴嘴組合式噴頭的114°，噴霧保護錐角增幅達到93%，噴頭的保護半徑增大，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際流量節省了約20%。

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

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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

流體及動力機械教育部重點實驗室基金項目(szjj2013-010);西華大學研究生創新基金項目(YCJJ201384);西華大學研究生創新基金項目(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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