典型機艙1301滅火系統管網流速及濃度分布仿真計算

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(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2.國家水運安全工程技術研究中心，武漢 430063)

1982年馬島戰爭中英國“謝菲爾德”號驅逐艦的沉沒，使得各國都注意到了船舶火災的特殊性和防止船舶發生火災的重要性[1]。鹵代烷1301滅火系統一般有2個研究方向：①鹵代烷1301的毒性對人體的影響，在這方面，國外做了大量的試驗和報導；②滅火劑在管道內的兩相流動，包括管道壓降和噴射時間的計算。

有學者對鹵代烷1301在管道內的流動進行了分析，指出計算管道壓降的關鍵在于管道內滅火劑密度隨壓力的變化關系[2]。哈龍的設計計算是為了給防護區提供規定的滅火劑濃度，論述了溫度、壓力和兩相流對哈龍1301在管道中的流動狀態的影響[3]。有學者做了大量鹵代烷1301滅火系統釋放的試驗，記錄了管道壓力、噴嘴流量、噴射時間等重要參數[4]。以飛機上的鹵代烷1301滅火系統為對象，利用FLUENT軟件對滅火劑的流動特性進行了數值模擬，模擬結果表明，管徑對于滅火劑的釋放影響很大[5]。

盡管軍事領域并不屬于禁止使用哈龍滅火劑的規定場所，但國家政令的頒布使得國內消防學者對于1301滅火系統的設計、1301滅火劑在管道內的流動特性等方面的研究越來越少。有學者從理論上推導出鹵代烷1301管道壓降的計算公式，在隨后發表的論文中介紹了不同種類的1301滅火系統，并根據1301滅火劑的流動特性，提出了管路布置方法，供設計人員參考[6-7]。文獻[8]詳細論述了船用1301滅火系統的設計和比較實用的管網水力計算方法，并給出了圖表與數據，方便設計者參考選取，還指出，船用1301滅火系統在噴射終了時，儲液瓶內的驅動氣體壓力不應低于1.5 MPa，且進行管路設計計算時的噴嘴壓力應不小于1.4 MPa。文獻[9]對鹵代烷1301進行了噴射試驗研究，對防護區(航天器)內的溫度、壓力等參數進行了測量。

文獻[10]對常見的7種氣體滅火系統進行了比較，并結合各自特點，對如何選擇合適的氣體滅火系統做了比較詳細的分析。文中指出，雖然我國在2010年之后不再生產1301滅火劑，但并不表明將會停止1301滅火劑的使用，建議不要盲目地采用替代的滅火劑而減少1301滅火劑的使用，因為這樣會降低某些必要場所(如飛機、艦船等)的消防能力[11]。

從上述研究中可以發現，目前針對鹵代烷1301的管網壓力計算方法主要為實驗和理論推導，隨著數值仿真技術的發展和數值仿真(CFD)的大規模應用，探索采用CFD方法研究管網內壓降將是以后研究的主要方向。機艙作為船舶火災案例的重要防護對象[12]，建立典型機艙管網物理模型，構建了高精度結構化網格，采用Fluent平臺進行數值仿真計算，得到管網流速和滅火劑密度在不同儲壓罐壓力情況下的分布規律。

1 鹵代烷1301滅火系統

鹵代烷1301滅火系統是氣體滅火系統的一種，以在常溫、常壓下呈現氣態的鹵代烷1301作為滅火介質，通過氣態鹵代烷1301在整個防護區內或保護對象周圍的局部區域建立起滅火濃度實現滅火。

1.1 鹵代烷1301的理化性能

鹵代烷1301屬于烷烴類有機化合物，是哈龍滅火劑的一種。1301這4個數字分別代表烷烴分子中碳、氟、氯、溴各原子的個數，其分子式為CF3Br，名稱為三氟一溴甲烷。在常溫常壓下，鹵代烷1301是一種無色無味的氣體，屬于易液化氣體型滅火劑，其主要物理性質見表1[13]。

表1 鹵代烷1301的主要物理性質

鹵代烷1301是一種能夠用于撲救多種類型火災的有效滅火劑，具有滅火快、不導電、耐貯存、腐蝕性小、毒性較低、滅火后不留痕跡等優點，其優良滅火性能使得鹵代烷1301滅火系統在上個世紀末已廣泛應用于圖書、檔案、美術、文物等大量珍貴資料的庫房、散裝液體庫房、電子計算機房、通訊機房、變配電室等場所。

1.2 鹵代烷1301噴射特性

1)瓶內氣體的膨脹。鹵代烷1301在儲液瓶中呈液態保存，但僅靠鹵代烷1301的蒸氣壓無法在規定的時間內將大部分滅火劑輸送到防護區，需要利用氮氣將滅火劑加壓儲存。系統未運行時，瓶內的氮氣與液態滅火劑處于氣液平衡狀態，瓶內氣相區為氮氣和1301蒸氣的混合氣體。一旦火災發生，閥門打開，滅火劑在高壓氣體的推動下進入管網，此時儲液瓶內的氣體膨脹，壓力下降，少量1301蒸發，液態滅火劑中溶解的氮氣分離出來；當液態滅火劑全部噴入管網中后，瓶內氣體的壓力依舊很高，氣體繼續膨脹并進入管網；大部分滅火劑噴出系統后，氣體通過噴嘴噴出。

2)管道中滅火劑的流動。由于滅火劑的物理特性，其在管網中的流動很復雜。鹵代烷1301滅火劑在平時加壓儲存在儲液瓶內，發生火災時被施放到管網中經噴嘴噴射入防護區進行滅火。在常溫下，鹵代烷1301滅火劑具有較高的蒸氣壓，21 ℃時其蒸氣壓達1.47 MPa，在常溫常壓下，鹵代烷1301極易汽化。鹵代烷1301在管道中流動需要克服沿程損失及局部阻力損失，管段內的壓力是不斷下降的，壓力的降低，使得鹵代烷1301迅速地汽化而膨脹，造成流量迅速減小。此外，用氮氣加壓會使部分氮氣溶解到液態鹵代烷1301中，氮氣的溶解量與其壓力和溫度有關，壓力增高則溶解量增加。在施放鹵代烷1301的過程中，由于壓力不斷下降，溶于液態鹵代烷1301中的氮氣會部分分離出來。

2 數值計算

2.1 設計參數與邊界條件

考慮到文中的算例有射流的情況，并且為變截面管道內流動，流動過程有二次流產生，采用Realizablek-ε模型較為合理。

實際工程中，管段中的流體包括液態鹵代烷1301、氣態鹵代烷1301以及從溶液中分離出來的氮氣，因此滅火劑流動呈兩相流動。對于兩相管流，目前的流體仿真軟件并不能準確計算出真實結果，對于有蒸發現象的兩相管流更加困難，須對物理問題進行簡化。對于滅火劑管網流量分配特性的研究，只需關注各管段的流量，而不需要關注管道中氣液兩相的流動細節，將此問題簡化為液態鹵代烷1301在管道中的單相流動。

計算中使用的計算參數包括液態鹵代烷1301的密度及黏度，其數值可從規范中查得，見表2。為加速收斂，使用質量流量入口邊界條件，入口流速為60 kg/s(該值為設計平均流量)，出口(噴嘴處)使用壓力出口邊界條件，出口壓力為100 kPa。液態鹵代烷1301的密度較大，因此考慮重力。

表2 液態鹵代烷1301計算參數

2.2 幾何模型和網格模型

圖1為后機艙爐艙管網的幾何模型，圖中的1、2、3點分別是主管道在第二層的分流三通、第三層主管的分流三通和管道與噴嘴的連接處，其網格局部放大圖見圖2。

圖1 后機爐艙管網整體模型

圖2 管網細節處網格局部

對于圓形管道，為提高網格質量，需要對所有block進行O-block劃分，管網進口處和噴嘴處的O-block生成的網格見圖3。

圖3 管網O型網格示意

網格總數約為200萬，網格質量方面，使用QUALITY算法，其質量達到0.4以上，遠超過商業流體軟件的0.1下限。

3 計算結果

3.1 管道系統內的壓力分布

圖4為管道內的壓力分布，可以看到第一層管道距離儲壓瓶最近，內部的壓力最大，每通過一個交叉口后，管道內的壓力均有明顯降低。從圖中可以看出，最大壓力為449.01 kPa；管道流動中出現了負壓，這是液體單相流動的正常現象，在彎管或三通處會出現繞流，出現負壓區。在滅火劑沿管網流動的過程中，由伯努利方程可知，管道壓力轉化為滅火劑的流速，因此壓力沿管道越來越低。

圖4 管道流動壓力分布云圖

3.2 管道流動的速度分布

圖5為滅火劑在管網流動的速度分布云圖，圖6為三通點1、2、3、4云圖及流線的局部放大圖。整個管網最大流速約為20 m/s，與壓力分布不同，沿著流動方向，滅火劑的流速并不一定一直增加，雖然管徑越來越小，但由于三通分流，各管段的流量也在不斷減小。

圖5 管道流動速度分布云圖

1點為三通處物理模型對稱，但速度云圖及流線并不完全對稱，因為來流方向的管段過短，只有0.6 m，使得來流滅火劑的速度方向并不與管段平行，造成了側管速度云圖及流線的不對稱性；2點為主管道第一次三通分流，分流后管徑減小，直管與側管的滅火劑流速均增大，由于慣性的作用，側管內靠直管一側的滅火劑流速較大；3點為第三層管網主管的三通分流，從流線可以看出，三通處出現明顯的二次流，兩側出現漩渦，流體呈湍流狀態，是三通處壓力降低較快的原因，在水力計算中，計算壓降時必須加上管段附件引起的局部阻力壓損；4點為三通的側管管段10-18，從圖6中可見，管徑的減小使得滅火劑流速增大，但側管的分流作用使得滅火劑流速減小。

圖7為典型位置流線，3點附近管道內滅火劑出現二次流，在分叉位置出現了明顯渦結構。

圖6 管網三通處的速度云圖及流線圖

圖7 典型位置流線

圖8 第二層管段的速度云圖

圖8為第二層管網速度分布云圖，圖9為第三層管網速度分布云圖。第二層管網內滅火劑最大流速為14.69 m/，第三層管網內滅火劑最大流速為20.59 m/s。在分流三通和噴嘴與管段的連接處，有一小段管段上的滅火劑流速較大，由于管徑的減小使得滅火劑流速增大；由于側管或噴嘴的分流，滅火劑流速減小。

圖9 第三層管段的速度云圖

3.3 各管段流量的結果分析

在CFD-POST中取每個管段截面上的質量流量，并與各管段設計流量相比較，其值見表3。其中相對誤差為(計算流量-設計流量)/設計流量×100%，其值為正說明計算流量大于設計流量，其值為負則計算流量小于設計流量。從表3中可以看出，除管段10-18以外，各管段流量的相對誤差值均在5%之內，對于工程問題，誤差值在允許的范圍之內，說明各管段管徑的選取較為合理；管段10-18的計算流量為4.39 kg/s，比設計流量(4 kg/s)大9.65%，在實際工程中可以減小該管段的管徑，以減小流量。

3.4 管道內壓力與流體密度的關系

管道內流動的滅火劑密度與管道壓力有關，圖10為不同貯存壓力和不同充裝密度下，滅火劑密度與管道壓力的曲線圖。

表3 各管段設計流量與計算流量值的比較

圖10 不同管道壓力下滅火劑的密度

1)相同貯存壓力下，充裝密度越大，一定管道壓力對應的滅火劑密度越大，因為充裝密度越大，液態滅火劑中溶解的氮氣量就越少。

2)相同充裝密度下，貯存壓力越大，一定管道壓力對應的滅火劑密度越小，因為貯存壓力越大，液態滅火劑中溶劑的氮氣量就越多。

4 結論

建立后機爐艙管網的三維物理模型，計算后機爐艙滅火系統設計流量工況下液態鹵代烷1301在管網內的流動，得出整個管網的壓力及速度分布云圖，利用CFD-POST計算各管段的流量，并與設計流量作比較。計算結果表明，管段10-18的計算流量比設計流量稍大，在實際過程中應當減小該管段的管徑以減小流量；其他管段的計算流量與設計流量偏差不大，其誤差值在允許的范圍之內，說明各管段管徑的選取較為合理。