穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)流式消防水炮流動(dòng)特性的影響

方正,向黎,樂黨救,李浩翥,唐玨菁,沈雷虎,李棟*,趙傳文

(1. 中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200001;2. 南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210046)

特高壓直流輸電技術(shù)憑借輸電距離遠(yuǎn)、輸電容量大、電能耗損小等特點(diǎn)已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用,然而多起嚴(yán)重的變壓器火災(zāi)事故,使得特高壓換流變壓器的消防問題引起了人們密切關(guān)注[1-3].

消防水炮是遠(yuǎn)距離撲滅火災(zāi)的重要消防設(shè)備.消防水炮按噴嘴的結(jié)構(gòu)不同可分為直流式和導(dǎo)流式[4],其中導(dǎo)流式炮頭可根據(jù)可調(diào)節(jié)伸縮裝置自由切換柱狀與霧狀射流模式.霧狀模式的射程較近,但滅火范圍大;柱狀模式的射程遠(yuǎn),可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離滅火.由于變壓站火災(zāi)可能會(huì)出現(xiàn)二次爆燃,做到遠(yuǎn)距離滅火可以保障消防人員的安全,因此文中擬對(duì)導(dǎo)流式消防水炮柱狀工作模式下的流場(chǎng)特性展開研究.

為提高消防水炮的滅火效率,目前諸多學(xué)者主要通過調(diào)整消防水炮的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與安裝導(dǎo)流板來(lái)提升消防水炮的綜合性能.劉力濤等[5]對(duì)影響消防水炮噴嘴噴射性能的幾個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,噴嘴的出口直徑、噴芯結(jié)構(gòu)、出口直流部分的長(zhǎng)度等因素都對(duì)水炮噴射性能有決定性的影響.劉俊[6]基于數(shù)值模擬與構(gòu)建響應(yīng)面模型(RSM)的方法,對(duì)導(dǎo)流式炮頭內(nèi)部導(dǎo)流杯芯進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流杯芯倒角結(jié)構(gòu)對(duì)水炮水力性能的影響較大.袁丹青等[7]對(duì)安裝導(dǎo)流板的消防水炮流道進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明安放導(dǎo)流片可消除管內(nèi)湍流核心區(qū),改善流動(dòng)狀態(tài).XIANG等[8]研究了連續(xù)變截面S形管管身的內(nèi)部流動(dòng),發(fā)現(xiàn)安裝導(dǎo)流板后出口紊流擾動(dòng)大大減小.

此外,穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)也是提升消防水炮和水槍射程及水力學(xué)性能的重要結(jié)構(gòu).常見的消防水炮穩(wěn)流器按截面形狀劃分主要有星形穩(wěn)流器、多矩形穩(wěn)流器、蜂窩形穩(wěn)流器、彈尾形穩(wěn)流器、梅花形穩(wěn)流器以及組合形式的穩(wěn)流器[9].王紅霞[10]對(duì)消防水槍內(nèi)產(chǎn)生湍流的原因進(jìn)行了分析,并對(duì)安裝蜂巢形整流裝置的消防水槍進(jìn)行了實(shí)體試驗(yàn),結(jié)果表明蜂巢形整流裝置可以顯著提升消防水槍噴射距離.嚴(yán)海軍等[11]對(duì)安裝彈尾形穩(wěn)流器的消防水炮進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明安裝穩(wěn)流器可以明顯消除渦流和橫向流,提高噴頭出口速度的均勻性.向清江等[12]設(shè)計(jì)了截面積近似相等的3種穩(wěn)流器,進(jìn)行了水炮設(shè)計(jì)流量為1 500 m3/h下的內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬,結(jié)果表明加裝穩(wěn)流器對(duì)流動(dòng)狀態(tài)改善效果明顯,出口軸線上速度的增加均大于無(wú)穩(wěn)流器的情況.袁曉明等[13]研究了均布葉片數(shù)量、圓角、軸向長(zhǎng)度和改進(jìn)的兩段式穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)對(duì)穩(wěn)流器水力學(xué)性能的影響,確定了葉片數(shù)量為6的改進(jìn)型穩(wěn)流器具有較優(yōu)的綜合性能,并通過試驗(yàn)對(duì)穩(wěn)流器的性能進(jìn)行了驗(yàn)證.李萍等[14]對(duì)裝有不同型式穩(wěn)流器的噴頭內(nèi)部三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)穩(wěn)流器的形式直接影響了噴頭的質(zhì)量.張靜等[15]對(duì)安裝分段錯(cuò)位布置穩(wěn)流器的直流水槍進(jìn)行了射流試驗(yàn)及模擬研究,研究表明分段的穩(wěn)流器能降低水槍射流擴(kuò)散作用與渦旋強(qiáng)度.張海春等[16]利用數(shù)值模擬研究了三葉片星形穩(wěn)流器端部結(jié)構(gòu)對(duì)直流水槍流動(dòng)阻力和湍流動(dòng)能的影響,確定了入口側(cè)端部凹陷、出口側(cè)端部凸起的改進(jìn)型穩(wěn)流器具有較優(yōu)的綜合性能.YAN等[17]對(duì)PY140噴頭內(nèi)穩(wěn)流器的安裝展開了數(shù)值模擬,結(jié)果表明安裝穩(wěn)流器可以改善噴頭的內(nèi)部紊流,并使噴頭出口處的流速更加均勻.

以上研究主要關(guān)于穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)對(duì)直流式消防水炮和水槍性能的影響,而關(guān)于穩(wěn)流器對(duì)導(dǎo)流式消防水炮內(nèi)流場(chǎng)影響的研究較少.因此,文中對(duì)安裝星形穩(wěn)流器的導(dǎo)流式消防水炮內(nèi)水的流動(dòng)展開數(shù)值模擬,并分析同體積條件下穩(wěn)流器數(shù)量、長(zhǎng)度以及布置方式對(duì)流體流動(dòng)特性的影響.

1 數(shù)值模擬計(jì)算方法

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

文中主要探究穩(wěn)流器數(shù)量、長(zhǎng)度及排列方式對(duì)消防水炮性能的影響.利用Solidworks將不同長(zhǎng)度、數(shù)量的六肋式星形穩(wěn)流器安裝在消防水炮的噴嘴芯末端,消防水炮具體尺寸如圖1所示.其中,為對(duì)比穩(wěn)流器進(jìn)出口處的流動(dòng)變化,在噴嘴芯末端建立截面A,在穩(wěn)流器出口建立截面B.穩(wěn)流器的類型有5種(T1,T2,T3,T4,T5),如圖2所示,數(shù)量分別為0,1,2,4和8個(gè),穩(wěn)流器的長(zhǎng)度分別為0,80,40,20,10 mm,相鄰2個(gè)穩(wěn)流器均為交叉排列布置,交叉角度均為30°.

圖1 消防水炮物理模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of physical model of fire fighting water cannon

圖2 消防水炮穩(wěn)流器示意圖Fig.2 Schematic diagram of flow stabilizers of fire fighting water cannon

消防水炮物理模型采用ANSYS的Meshing模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格形式,網(wǎng)格數(shù)量為75～168 萬(wàn),如圖3所示.此外,對(duì)網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證,以安裝T3穩(wěn)流器的消防水炮為例,如圖4所示,隨著網(wǎng)格數(shù)量的增大,截面A的平均速度v接近不變,選擇網(wǎng)格數(shù)量N為85 萬(wàn)的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.

圖3 幾何模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Geometry model meshing

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.4 Grid independence verification

1.2 數(shù)學(xué)模型

在高壓作用下,水流速度較快,為湍流形式.文中選擇RNGk-ε模型來(lái)模擬管道內(nèi)水的流動(dòng),k方程和ε方程分別為

(1)

(2)

1.3 邊界條件的設(shè)定

炮頭模型的入口為壓力進(jìn)口,設(shè)置為0.8,1.0,1.2 MPa,管道的出口為壓力出口, 設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力.壁面的邊界條件設(shè)為無(wú)滑移,壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的耦合求解方法采用 SIMPLEC算法[8],迭代的松弛因子采用軟件默認(rèn)值,各變量的收斂殘差設(shè)置為10-4.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)對(duì)軸線速度的影響

對(duì)帶不同結(jié)構(gòu)穩(wěn)流器的消防水炮進(jìn)行數(shù)值模擬.圖5為不安裝星形穩(wěn)流器的消防水炮速度流線圖,圖中水流從水炮的入口處進(jìn)入,依次流經(jīng)4個(gè)彎頭,受彎頭影響水流發(fā)生了繞彎和旋轉(zhuǎn).當(dāng)水流經(jīng)消防水炮的直管段,消防水炮內(nèi)部流速不均勻,進(jìn)而影響了消防水炮射程.

圖5 消防水炮流線圖Fig.5 Streamline diagram of fire fighting water cannon

消防水炮內(nèi)流體的軸線速度是影響射流距離的重要因素,文中對(duì)入口壓力1.0 MPa消防水炮噴嘴芯末端與穩(wěn)流器出口截面位置的軸線速度進(jìn)行了對(duì)比分析,如圖6所示,圖中vq為截面上的軸向速度.

圖6 軸向速度云圖Fig.6 Axial velocity clouds diagram

穩(wěn)流器的安裝可以改善消防水炮內(nèi)流體軸向速度分布.從圖6a可以看出,當(dāng)流體未流經(jīng)穩(wěn)流器時(shí),流體軸向速度不均現(xiàn)象嚴(yán)重,消防水炮右側(cè)的軸向速度明顯小于左側(cè)的.以圖6c為例,當(dāng)安裝T2結(jié)構(gòu)的星形穩(wěn)流器時(shí),流體流經(jīng)穩(wěn)流器后,右側(cè)的速度明顯提高,均勻性得到了改善,但部分葉片間仍有大面積低流速區(qū)域.為進(jìn)一步提升穩(wěn)流器的穩(wěn)流效果,在穩(wěn)流器體積一定的條件下,通過縮減單個(gè)穩(wěn)流器的長(zhǎng)度,將不同數(shù)量穩(wěn)流器交叉布置,探究一種最優(yōu)的穩(wěn)流器排列布置形式.以T2與T3為例,當(dāng)流體流過穩(wěn)流器截面B時(shí),T3(叉排布置)右側(cè)的軸向速度明顯大于T2(順排布置)的,截面流動(dòng)的均勻性有所改善.值得注意的是,當(dāng)通過縮短穩(wěn)流器的長(zhǎng)度,增加叉排布置的數(shù)量時(shí),如圖6e,6f所示,盡管右側(cè)軸向速度有了一定的提升,但在管道中心位置會(huì)出現(xiàn)局部的流體擾動(dòng),甚至出現(xiàn)反方向流動(dòng)現(xiàn)象,如圖6e,6f中藍(lán)色區(qū)域所示.

為更好地對(duì)比說(shuō)明不同穩(wěn)流器的穩(wěn)流效果,文中對(duì)截面橫向軸線上的速度進(jìn)行了量化分析,如圖7所示,圖中d為軸線上從左向右的距離.當(dāng)消防水炮頭中未設(shè)置穩(wěn)流器時(shí)(PA),由于流體流經(jīng)彎管后管道內(nèi)外側(cè)壓力不均勻,流體的流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定,流體軸線速度在同一截面分布不均,其中左側(cè)的流速較高,最大速度為17.2 m/s,右側(cè)的速度較小,速度集中在8.0～9.0 m/s,速度不均勻程度嚴(yán)重.在流體流過穩(wěn)流器后的截面B位置處,T2—T4流體截面速度的均勻性均有所改善,可以明顯看到安裝穩(wěn)流器后右側(cè)的流速均有不同程度上的提升,這是因?yàn)榻孛鍭處的不均勻流體在流經(jīng)不同類型的穩(wěn)流器后被分為多股水流,進(jìn)而消除了內(nèi)部的強(qiáng)旋流流動(dòng)[17].但由于T5型穩(wěn)流器存在反流現(xiàn)象,流體速度波動(dòng)較大.總體來(lái)看,從圖中可知,T3型叉排布置的穩(wěn)流器穩(wěn)流效果最佳,平均速度約為13.5 m/s.右側(cè)的流體速度總體接近平均流速.

圖7 不同穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)消防水炮的截面軸向速度云圖Fig.7 Cross-sectional axial velocity clouds of fire fighting water cannons with different flow stabilizer structures

2.2 消防水炮內(nèi)的逆向流動(dòng)與渦旋

值得注意的是,當(dāng)穩(wěn)流器長(zhǎng)度縮短至10 mm,增加叉排數(shù)量后,在靠近截面中心處的最小流體速度為-2.1 m/s.對(duì)該局部區(qū)域進(jìn)行矢量分析,如圖8a所示,靠近中心壁面位置的地方出現(xiàn)了明顯逆向流動(dòng)與渦旋.而T3型穩(wěn)流器出口截面沒有出現(xiàn)逆方向流動(dòng),如圖8b所示.

圖8 消防水炮內(nèi)部速度矢量圖Fig.8 Internal speed vector diagram of fire fighting water cannon

與單葉片長(zhǎng)度40 mm且數(shù)量為2的穩(wěn)流器相比,當(dāng)單個(gè)穩(wěn)流器的長(zhǎng)度縮小至10 mm且數(shù)量為8時(shí),流體流過的截面積變小,平均流速變大,雷諾數(shù)增大,流體流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定,更易產(chǎn)生旋渦與逆向流動(dòng).

圖9為T3與T5類型流經(jīng)穩(wěn)流器的壓力變化截面云圖.

圖9 消防水炮截面壓力云圖Fig.9 Cross-sectional pressure clouds of fire fighting water cannon

由于受到阻礙作用,流體流過穩(wěn)流器葉片時(shí)的流速下降,壓力增大,在葉片前形成了順壓區(qū).當(dāng)流體從葉片兩側(cè)流過時(shí),流速開始增大,兩側(cè)增大的流速使得葉片后的壓力降低,在葉片后形成了逆壓區(qū),穩(wěn)流器葉片前后的壓力差異分布使得穩(wěn)流器出口出現(xiàn)了回流.如圖9所示,由于單葉片的長(zhǎng)度較短,且叉排布置的數(shù)量較多,壓力損失更大,與T3穩(wěn)流器的內(nèi)部流場(chǎng)相比,T5穩(wěn)流器出口的逆壓區(qū)更明顯,更易形成回流區(qū).

2.3 穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)對(duì)消防水炮湍動(dòng)能及壓降的影響

出口湍動(dòng)能表示單位質(zhì)量流體紊流脈動(dòng)動(dòng)能.為進(jìn)一步分析穩(wěn)流器類型對(duì)消防水炮性能的影響,對(duì)不同入口壓力下5種類型消防水炮的進(jìn)出口湍動(dòng)能值進(jìn)行了量化分析(均采用面積加權(quán)).

圖10為不同穩(wěn)流器類型消防水炮的進(jìn)出口湍動(dòng)能差值,圖中Δk為進(jìn)出口的湍動(dòng)能差;pin為入口壓力,安裝穩(wěn)流器可以減小消防水炮的進(jìn)出口湍動(dòng)能.以入口壓力1.0 MPa的工況為例,當(dāng)消防水炮沒有安裝穩(wěn)流器時(shí),其進(jìn)出口湍動(dòng)能差值最大,流體湍流程度更高,為3.36 m2/s2.而增加穩(wěn)流器后,消防水炮進(jìn)出口湍動(dòng)能差均有所減小.從圖中可以看出,T3消防水炮湍動(dòng)能的減小最為明顯,僅為2.81 m2/s2,與沒有安裝穩(wěn)流器的消防水炮相比,結(jié)構(gòu)四的進(jìn)出口湍動(dòng)能差值優(yōu)化了16.3%.且隨著入口壓力的提高,不同類型消防水炮的進(jìn)出口湍動(dòng)能差呈上升趨勢(shì),穩(wěn)流器對(duì)湍動(dòng)能差的改善更為明顯.

圖10 不同穩(wěn)流器類型消防水炮的進(jìn)出口湍動(dòng)能差值Fig.10 Difference in turbulent kinetic energy between inlet and outlet of fire fighting water cannon with different flow stabilizers

為探求穩(wěn)流器布置方式對(duì)消防水炮內(nèi)壓力損失的影響,對(duì)截面A與B間的壓力變化進(jìn)行了分析,如圖11所示,圖中p為不同截面的壓力值;L為距濾芯末端處的距離;Δp為不同穩(wěn)流器類型下的進(jìn)出口壓降,安裝穩(wěn)流器會(huì)增加消防水炮內(nèi)的壓力損失.且隨著穩(wěn)流器叉排布置數(shù)量的增加,流體的壓力損失增大.如圖所示,穩(wěn)流器數(shù)量為1時(shí),壓力損失為29.57 kPa,當(dāng)穩(wěn)流器數(shù)量增加為2且叉排布置時(shí),壓力損失升至39.47 kPa;而當(dāng)穩(wěn)流器數(shù)量為8且交叉布置時(shí),壓力損失達(dá)到最大為103.24 kPa.因此在實(shí)際設(shè)計(jì)穩(wěn)流器時(shí),增加穩(wěn)流器的叉排布置數(shù)量來(lái)提升消防水炮的性能是有限的,過多數(shù)量的叉排布置會(huì)造成較大的壓力損失.

圖11 不同穩(wěn)流器類型消防水炮內(nèi)的壓力變化Fig.11 Pressure variation in fire fighting water cannon with different flow stabilizers

3 結(jié) 論

對(duì)帶有不同結(jié)構(gòu)星形穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)的消防水炮內(nèi)流體的特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)炮頭的進(jìn)出口湍動(dòng)能以及軸線速度展開了分析.研究結(jié)論如下:

1) 星形穩(wěn)流器的增加可顯著改善消防水炮內(nèi)的速度均勻性分布,減小消防水炮的進(jìn)出口湍動(dòng)能差.

2) 分段錯(cuò)位且叉排布置的星形穩(wěn)流器可顯著提升穩(wěn)流效果,其中穩(wěn)流器數(shù)量為2,長(zhǎng)度為40 mm且交叉布置的組合最有利于提升消防水炮的綜合性能.

3) 同體積的條件下,通過縮短穩(wěn)流器的長(zhǎng)度,增加穩(wěn)流器的叉排布置數(shù)量提升消防水炮性能是有限的,過多數(shù)量的叉排布置會(huì)造成流體逆方向的流動(dòng)以及較大的壓力損失.