基于CFD-PBM模型的消防車氣液混合器仿真分析

摘要：氣液混合器是壓縮空氣泡沫發生系統的關鍵部件之一，其內部流場的分布對壓縮空氣泡沫發生系統的性能具有重要影響。利用Fluent軟件，建立混合器CFD-PBM耦合模型，研究不同進氣方式對氣液混合器內部流場和泡沫粒徑變化過程的影響，結果表明：側壁進氣式混合器相對于中心進氣式混合器，雖然氣液混合均勻性稍差，但混合器內部壓力損失更小；中心進氣式混合器氣液混合初期泡沫以聚并為主，混合后期以破碎為主，側壁進氣式混合器氣液混合初期泡沫以破碎為主，混合后期以聚并為主，同中心進氣式混合器相比，側壁進氣式混合器產生的泡沫更為致密，粒徑大小均一性更好，分布更加均勻。

關鍵詞：氣液混合；CFD-PBM；泡沫；混合器

中圖分類號：U469.6+8 收稿日期：2023-08-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.012

1 前言

壓縮空氣泡沫系統（Compress Air Foam System，CAFS）是一種消防車用高效綠色環保的新型消防滅火裝備，通過將空氣與水和泡沫混合，并利用高壓氣體將其噴出，形成一種能有效抑制火勢的泡沫狀噴射物，從而有效地阻止火勢的擴大和燃燒。與傳統純水滅火方式相比，CAFS具有泡沫能量高、穩定性好、泡沫混合比調節范圍廣等優點，被廣泛應用于各種火災救援中。氣液混合器是CAFS的關鍵部件之一[1]，其工作原理是將壓縮空氣與泡沫液按照一定比例，分別通過管道流入氣液混合器，然后泡沫液在高速壓縮空氣的沖擊作用下，經過混合、碰撞產生高能量滅火泡沫。為了提高泡沫液滅火性能，在混合過程中氣液兩相需要盡量充分混合，產生尺寸均一的泡沫[2]。因此，氣液混合器的結構對CAFS的氣液混合性能和滅火效果起到關鍵作用。

目前，在CAFS系統中常用的氣液混合器進氣形式主要為中心進氣和側壁進氣。研究氣液混合器內部流場分布和泡沫粒徑大小分布規律是提升CAFS性能的關鍵，鑒于CAFS的氣液混合速度極快，通過實驗觀察的方法進行分析存在較大難度。近年來，隨著計算機技術的不斷發展，仿真模擬被廣泛應用于流場分析[3-4]。本文運用Fluent軟件建立CAFS的氣液混合器CFD-PBM仿真模型，對氣液混合過程進行仿真分析，對比分析側壁進氣式和中心進氣式兩種混合器內部流場壓力、速度、液相分布情況及泡沫粒徑變化過程，為優化氣液混合器結構，提升CAFS性能提供理論參考和設計依據。

2 分析模型

2.1 湍流模型

Fluent軟件提供了Standard k-?、RNG k-?和Realizable k-?三種湍流模型，其中Realizable k-?模型是一種新的湍流模型，綜合了其他兩種模型的優點，求解精度高，適用范圍廣，在復雜的湍流流動模擬和工程應用中具有重要作用。CAFS系統氣液混合器兩相混合時速度變化較大，易產生較大的湍動能，因此本文選用Realizable k-?湍流模型用來模擬流體中的湍流運動。湍動能k和耗散率[ε][5]方程分別如下：

式中，[σk]、[σε]分別為湍動能k和耗散率[ε]；[ρ]為流體密度；[xi]、[xj]分別為x、y方向分量；[Tk]為由平均速度梯度產生的湍動能；[Tb]為由浮力影響產生的湍動能；[YM]為可壓縮湍動脈動膨脹對總的耗散率的影響；[μ]為分子粘度系數；[ut]為湍流粘性系數。

2.2 群平衡模型

群平衡模型（Population Balance Model，PBM）是研究基于離散粒子聚并和破碎過程中粒子直徑大小變化情況的一種基礎理論模型，是迄今研究離散粒子群破碎、聚并等過程中最成熟的也是應用最為廣泛的方法。在氣液兩相混合過程中氣泡主要發生聚并與破碎現象，PBM通過在動量和能量守恒的基礎上添加一個群平衡方程來描述氣泡變化情況，群平衡方程引入了數量密度函數來表示氣泡群，通過氣泡直徑尺寸的變化來描述氣泡的行為特征，PBM方程[6-7]表示為：

式中，右邊第一項和第二相分別為氣泡聚并產生相和死亡相；第三項和第四項分別為氣泡破碎產生相和死亡相；[v]為氣泡的原始體積；[v]為子氣泡的體積，[a（v，v）]為氣泡聚并速率；[n（v，t）]為氣泡數密度；[bv]為氣泡破碎函數；[βvv]為氣泡破碎時的概率密度函數。

Luo模型是一種廣泛應用于模擬氣泡聚并與破碎的通用模型，在計算顆粒破碎速率和子顆粒大小分布函數方面具有較強的優勢[8]。因此本文選用Luo聚并和破碎模型，表面張力系數設置為0.072。

3 氣液混合器仿真分析

3.1 兩種混合器進氣結構方案

中心進氣式混合器三維模型如圖1a所示，進氣管道位于混合器變徑段，進氣口傾斜段與混合器軸向夾角為45°，水平段與混合器同軸。側壁進氣式混合器三維模型如圖1b所示，進氣管道位于混合器側壁且與混合器軸線垂直。

3.2 網格劃分

為了兼顧計算精度和計算效率，流體域網格劃分采用多面體網格形式，最大網格尺寸為3 mm，并對近壁面區域的網格進行細化加密以滿足計算精度要求。為了便于對比分析，兩種方案的網格大小、邊界條件和計算設置均保持一致。側壁進氣式混合器流體域整體網格和局部網格如圖2所示。

3.3 邊界條件設置

多相流選用Mixture模型，介質為泡沫混合液與壓縮空氣，其中主相為泡沫混合液，第二相為壓縮空氣，根據克拉伯龍方程[4]可以計算出0.6 MPa的壓縮空氣密度為7.35 kg/m3。壓縮空氣和泡沫液邊界入口均設置為速度入口，根據管道流量與管徑大小計算出泡沫液和壓縮空氣入口速度，大小分別為1.17 m/s和102 m/s，出口為壓力出口，壁面為無滑移光滑壁面。計算選用SIMPLE算法，采用一階迎風差分格式，在Fluent軟件中迭代計算直至收斂。為了便于對比分析，假設初始泡沫直徑均為0.5 mm，且混合過程中泡沫僅發生聚并和破碎現象。

4 對比分析

4.1 流場分布對比分析

對上述中心進氣式混合器仿真分析后，混合器縱向截面液相分布云圖、壓力云圖、速度云圖如圖3所示。

由圖3可知，中心進氣式混合器的壓縮空氣主要分布于混合器中心部位，泡沫液主要分布于混合器上下兩側，壓縮空氣從進氣口進入混合器內部后，沿水平方向射出，逐漸向四周擴散直至出口，高速流體分布范圍廣，氣液混合均勻性好。由于進氣管道阻礙流體的影響，混合器內部壓差為0.12 MPa。

側壁進氣式混合器進行仿真分析后，混合器縱向截面液相分布云圖、壓力云圖、速度云圖如圖4所示。

從圖4可以看到，側壁進氣式混合器壓縮空氣流經進氣管道進入混合器后，與混合器底部內壁近似垂直撞擊，然后大部分流體沿著混合器底部內壁向出口方向流動，少部分向泡沫液進氣口一側反射。壓縮空氣主要集中在混合器內壁底部，泡沫液主要分布于混合器中上區域。混合器內部氣液混合區壓力較為均勻，最大壓差為0.086 MPa。同中心式進氣混合器相比，側壁進氣式混合器氣液混合均勻性較差，但壓力損失相對較小。

4.2 泡沫粒徑分布對比分析

為了分析不同混合器內部氣液混合后泡沫粒徑變化過程，分別提取混合器的不同截面處的泡沫粒徑分布，兩種混合器的距離出口450 mm截面和出口截面泡沫粒徑直方圖如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出，中心式進氣混合器在距離出口450 mm處截面上泡沫粒徑分布范圍較廣，其中粒徑在0.6～0.7 mm范圍內的泡沫占比相對較高，占比為16.8%，而在出口截面處泡沫粒徑范圍大大縮小，粒徑為0.5～0.6 mm和0.6～0.7 mm范圍的泡沫占比分別增加至37.8%和57.4%，同時，粒徑為0.7～2 mm范圍的大粒徑泡沫顯著減少，占比減少至4.8%。這表明中心式進氣混合器氣液混合初期泡沫以聚并為主，混合后期以破碎為主。

從圖6可以看到，側壁進氣式混合器距離出口450 mm截面上泡沫直徑主要為0.4～0.5 mm，占比約為70%，而在出口截面上直徑為0.4～0.5 mm范圍的泡沫占比減少至47%，泡沫直徑為0.5～0.7 mm范圍的占比提高至46%。這表明側壁進氣式混合器在氣液混合初期泡沫以破碎為主，后期以聚并為主。結合前面流場分析可知，側壁進氣式混合器在氣液混合初期，高速的壓縮空氣流射入混合器內部后與底部內壁發生碰撞，泡沫在碰撞的過程中由于外力的作用發生破碎，雖然混合后期以聚并為主，但是泡沫整體粒徑均較小。同中心進氣式混合器相比，側壁進氣式混合器產生的泡沫更為致密，粒徑大小均一性更好，分布更加均勻。

5 結語

本文通過對消防車壓縮空氣泡沫系統側壁進氣和中心進氣兩種混合器進行氣液混合仿真分析，結合流場分布和泡沫粒徑分布結果比對，可以得出以下結論：

a.側壁進氣式混合器相對于中心進氣式混合器，氣液混合均勻性稍差，但混合器內部壓力損失更小。

b.中心進氣式混合器氣液混合初期泡沫以聚并為主，混合后期以破碎為主，側壁進氣式混合器氣液混合初期泡沫以破碎為主，混合后期以聚并為主，同中心進氣式混合器相比，側壁進氣式混合器產生的泡沫更為致密，粒徑大小均一性更好，性能更穩定。

c.基于CFD-PBM模型對不同結構形式的氣液混合器進行對比仿真分析，為進一步優化氣液混合器結構設計提供理論參考和設計依據。

參考文獻：

[1]李何偉，張瀠月，蔡崢，等.壓縮空氣泡沫滅火系統氣液混合器的研究現狀[J].機械研究與應用，2021，34（6）：203-206.

[2]初迎霞.CAFS中流動參數與泡沫形態關系的試驗研究[D].北京：北京林業大學，2005.

[3]袁野.壓縮空氣泡沫系統氣液混合特性及實驗裝置研究[D].武漢：華中科技大學，2019.

[4]勞煜強.壓縮空氣泡沫消防車混合器與管道系統的研究[D].廣州：廣東工業大學，2022.

[5]李琛，馬玉山，高強，等.基于Realizablek-ε模型的控制閥流場特性研究[J].寧夏大學學報（自然科學版），2014，35（4）：328-331.

[6]侯朋朋，王春華，潘振，等.垂直管內水合物漿液流動特性的CFD-PBM數值模擬[J].石油化工高等學校學報，2019，32（1）：60-66.

[7]Alam H S，Sutikno P，Fauzi S T A，et al. CFD-PBM coupled modeling of bubble size distribution in a swirling-flow nanobubble generator[J].Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics，2022，16（1）：79-86.

[8]Zhang Chunhua，Lu Bona，Wang Wei，et al. CFD simulation of an industrial MTO fluidized bed by coupling a population balance model of coke content[J].Chemical Engineering Journal，2022，446：101-110.

作者簡介：

聞健，男，1988年生，工程師，研究方向為汽車有限元分析、特種車輛裝備開發。