消防車用環泵式泡沫系統文丘里管結構設計與仿真分析

胡瑤 劉明岳 劉召華

摘要：以負壓環泵式泡沫系統文丘里管為研究對象，利用流體仿真模擬計算和試驗測試，對文丘里管的射流管徑、水流量、泡沫液流量、水泵出口壓力、泡沫液入口壓力的關系進行討論，給出既符合消防車使用工況，又方便加工的文丘里管結構。

關鍵詞：負壓環泵式泡沫系統;文丘里管;射流管徑;結構設計;仿真分析

中圖分類號：U469.68 收稿日期：2022—03—19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.013

目前在泡沫滅火系統中，多數使用壓力式空氣泡沫系統，壓力式空氣泡沫系統分為正壓平衡式泡沫系統和負壓環泵式泡沫系統。正壓平衡式泡沫系統結構復雜、成本高、安裝和使用不方便，使用率低。負壓環泵式泡沫系統是消防車用泡沫系統中應用最廣泛的，其中全自動環泵式泡沫系統擁有輸出恒定泡沫比例的性能，使用更方便，滅火效率更高。

全自動環泵式泡沫系統主要由控制單元、流量傳感器、控制閥及文丘里管組成。文丘里管利用文丘里原理，當壓力水流經文丘里管時，在其腔內形成負壓，使得泡沫液容器內的泡沫液在大氣壓力作用下被吸到管道內與水混合，通過控制系統調整水與泡沫液的混合比例，形成泡沫水混合液再由車載管路系統噴射進行滅火作業。文丘里管的結構決定了環泵式泡沫系統的吸液性能，是保證系統運行的關鍵裝置。

隨著負壓環泵式泡沫系統的普遍應用，國內和國際產品種類多樣，性能差別較大，且成本相差懸殊。本文針對核心結構文丘里管，進行流體仿真模擬計算和試驗測試，討論射流管徑、水流量、泡沫液流量、水泵出口壓力、泡沫液入口壓力之間的關系，給出適合消防車用的文丘里管結構。

1工作原理和結構設計

1.1工作原理

文丘里效應也稱文氏效應，該效應表現在受限流動通過縮小的過流斷面時，流體出現流速增大的現象，其流速與過流斷面成反比：

由伯努利定律知，對1—1和2—2截面列伯努利方程得

高速流動的流體附近產生低壓，從而產生吸附作用。流體在文氏管出口的后側，即2—2截面，形成一個真空區，會對管內流體產生吸附作用，如圖1所示。

1.2結構設計及水力性能要求

負壓環泵式泡沫系統如圖2所示，文丘里管入水口與水泵出水口管路連接，泡沫原液入口與泡沫罐相連，混合液口與水泵進水口管路連接;水泵將水加壓分流給泡沫管路，在流經文丘里管的噴嘴處時（圖3），過流斷面迅速變小，使水的流速迅速升高。由文丘里管原理可知，在文丘里管的噴嘴處形成真空區，對泡沫液產生吸附作用，使泡沫液與水混合，流入水泵入口管路4。

水泵的額定流量為60L/s，泡沫比例最高為6%，根據設計需求，泡沫液流量至少為6%x60=3.6L/s。

2 數值模擬分析

2.1物理建模和網格劃分

采用三維建模軟件對圖2的管路結構的流體區域進行實體建模，將建模得到的文丘里管三維流體域導入到流動網格劃分軟件中生成計算網格單元。在保證計算精度的情況下，擴散管劃分網格的密度相對于噴嘴處劃分網格的密度小，同時在現有計算硬件條件下盡可能增多網格單元，網格劃分采取非結構化的四面體網格。網格單元總數在10°以上，將劃分的網格單元導入到流動計算軟件中進行計算。

2.2邊界條件及計算方法

采用了Mixture模型，選擇無滑移速度，本模型中采用粘性模型是k-epsilon的Realizable模型，即k-模型。入口（inlet）設置為（pressure-inlet），出口（outlet）為壓力出口（pressure—outlet），設置之后進行初始化，最后進行迭代計算，如果所得的結果收斂，那么顯示和輸出計算結果，并進行必要的后處理，如果不收斂，則要改變過程參數，重復上述過程直至收斂為止。

2.3計算結果

由上述模擬結果可知，當射流管徑為18mm，水泵出口流量為60 L/s，水泵出口壓力為2 MPa時，管道流線分布如圖4，文丘里管進口段流線分布細節如圖5所示，泡沫管路水流量為17.19 L/s，泡沫液的流量為14.02 L/s，文丘里管泡沫液入口段產生的負壓為—0.31MPa，文丘里管進口段總壓分布如圖6所示，文丘里管的結構滿足設計需求。

2.3.1水泵出口壓力變化6

保持射流管徑和水路流量不變，現改變水泵出口壓力，通過仿真模擬得到不同工況下管路中的流動參數表（表1）。

通過數據擬合得到泡沫液流量和水泵出口壓力的表達式及曲線圖（圖7）。

由理論計算可知，水泵出口壓力為0.8 MPa時，吸入泡沫液流量為8.83 L/s，遠大于所要求的泡沫流量3.6 L/s，說明當射流管徑為18mm時，此文丘里管能夠滿足使用需求。但當水泵出口壓力為2 MPa時，用于內循環的水流量為17.19 L/s，約為水泵總排量的30%，耗能巨大。且實際工作中用于吸入原液的最大負壓不超過1個大氣壓即0.1MPa，而文丘里管所產生的負壓分別為—0.13 MPa、—0.16 MPa、-0.19 MPa、-0.22 MPa、-0.25 MPa、-0.28 MPa、-0.31MPa， 由此可知文丘里管的射流管徑還具有較大的改善空間。

2.3.2射流管徑變化

保持水泵出口壓力為0.8 MPa不變，改變射流管徑，得到水流量和泡沫液流量的關系表（表2）和相關關系曲線（圖8）。

由上述結論可知，當射流直徑變小時，水流量和泡沫原液流量都會隨之減小，且水流量減小速度比泡沫原液流量減小速度更快。為了滿足泡沫原液流量大于3.6 L/s的設計要求，在圖8中讀取數據，當泡沫原液的流量為3.6 L/s時，射流管徑為6mm。當射流管徑小于6mm時，文丘里管結構不符合設計要求。

當射流管徑為10mm時，水流量為2.9 L/s，約占總流量的4.8%，即使水泵出口壓力為2 MPa時，水流量也僅為4.62 L/s，占總流量的7.7%，水流損耗小;在0.8 MPa和2 MPa的條件下，泡沫液流量分別為5.47 L/s、8.85 L/s，都小于3.6L/s，滿足設計要求。

考慮到實際加工難度，射流管徑越小，文丘里管加工難度就越大，要求的精度越高。所以，射流管徑取8～10mm時，既符合消防車使用工況，又方便加工制造。

3 試驗測試

制作射流直徑為10 mm的文丘里管，與負壓環泵式泡沫系統的其他裝置，共同安裝于實車上，按實際使用工況進行打泡沫試驗（圖9）。水流量和泡沫液流量監測采用葉輪式，監測偏差在5%以內。根據水泵流量（在8～90 L/s之間）實時調節泡沫流量：使用混合比為3%的泡沫時，泡沫混合液精度要求為混合比在3%～4%;使用混合比為6%的泡沫時，泡沫混合液精度要求為混合比在6%～7%。得到試驗數據表，如表3所示。

4 結語

射流管徑為18mm，水泵出口流量為60 L/s，當水泵出口壓力在0.8～2 MPa范圍內，泡沫原液流量均大于3.6L/s，滿足設計對泡沫原液流量的需求。但水流量占總流量比例較大，存在較大能量損耗，且文丘里管產生的真空度超出實際所需真空度。

當射流直徑變小時，水流量和泡沫原液流量都會隨之減小，且水流量減小速度比泡沫原液流量減小速度更快。當泡沫原液的流量為3.6 L/s時，射流管徑為6mm。當射流管徑小于6mm時，文丘里管結構不符合設計要求。

當射流管徑為10mm時，水泵出口壓力在0.8～2 MPa內，水流量占總流量比小于7.7%，泡沫原液流量都大于3.6 L/s，滿足設計需求且水流損耗小。考慮到實際加工難度，射流管徑越小，文丘里管加工難度就越大，要求的精度越高。所以，射流管徑取8～10mm時，既符合消防車使用工況，又方便加工制造。

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