貯木場(chǎng)火災(zāi)細(xì)水霧噴頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)與CFD仿真

辛 穎，秦奮起，李耀翔，邢 濤，馮國紅，

侯衛(wèi)萍，楊鐵濱，方海峰

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

貯木場(chǎng)是原木生產(chǎn)、貯存和銷售的場(chǎng)所[1-2]，由于原木貯存量大，堆積的時(shí)間長，容易出現(xiàn)陰燃，形成大面積火災(zāi)的危險(xiǎn)性大，一旦發(fā)生火災(zāi)難于撲救。傳統(tǒng)的針對(duì)貯木場(chǎng)的滅火方式主要有水噴淋和采用哈龍為滅火劑的滅火形式，這兩種方式都有明顯的缺點(diǎn)。水噴淋的滅火效率較低，對(duì)貨物損壞嚴(yán)重；哈龍滅火劑是利用鹵代烷的復(fù)雜鏈?zhǔn)椒磻?yīng)達(dá)到滅火作用，反應(yīng)過程中可以產(chǎn)生大量的活性自由基，這些自由基與大氣中的臭氧反應(yīng)，使臭氧層產(chǎn)生空洞，對(duì)環(huán)境危害較大。細(xì)水霧滅火技術(shù)是一種新型的滅火技術(shù)，它的基本原理是將液態(tài)水霧化，通過增加液滴與火焰的接觸面積、對(duì)燃燒物的空氣隔離、沖蝕火焰等作用使滅火的效率成倍地增加，不會(huì)產(chǎn)生二次污染[3]，對(duì)于易燃類、易爆類物品的滅火效果好，對(duì)于貯木場(chǎng)的火災(zāi)是一種較好的滅火方式。

影響細(xì)水霧滅火效果的因素很多，如：填加的催化劑類型，外界壓力，細(xì)水霧噴頭結(jié)構(gòu)等，其中細(xì)水霧噴頭的結(jié)構(gòu)是影響細(xì)水霧滅火技術(shù)一個(gè)最重要的因素，不同結(jié)構(gòu)的細(xì)水霧噴頭可以在相同的外界壓力下產(chǎn)生不同的細(xì)水霧質(zhì)量。根據(jù)目前現(xiàn)有細(xì)水霧噴頭的常用結(jié)構(gòu)，提出了增加多級(jí)霧化機(jī)構(gòu)來改進(jìn)細(xì)水霧噴頭的方法，并對(duì)改進(jìn)前后的噴頭效果進(jìn)行模擬，模擬發(fā)現(xiàn)，該方法可以改善細(xì)水霧的質(zhì)量，提高細(xì)水霧的滅火效率。

1 細(xì)水霧滅火方式概述

在美國的消防聯(lián)合會(huì)制定的用于規(guī)范細(xì)水霧技術(shù)的NPFA750標(biāo)準(zhǔn)中，細(xì)水霧定義為：是指在最小的設(shè)計(jì)工作壓力下，在距離噴嘴1 m處的平面上，在水霧最粗處的水微料99％的直徑體積直徑(Dv0.99)不大于1 000 μm。通常一般的水噴淋這一參數(shù)在5 000 μm以上[4-5]。

按照細(xì)水霧中霧化得到的水微粒的大小，一般將細(xì)水霧分成三級(jí)，如圖1所示。

圖1 細(xì)水霧霧徑分級(jí)圖

隨著數(shù)值計(jì)算方法、氣體動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、兩相流體動(dòng)力學(xué)及CFD模擬與仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，使細(xì)水霧噴嘴的設(shè)計(jì)日趨系統(tǒng)化[4]。目前，人們已經(jīng)開發(fā)了很多不同類型的噴嘴，結(jié)合霧化的原理，細(xì)水霧在消防方面的霧化噴頭可分成四類：旋轉(zhuǎn)式、壓力式、氣動(dòng)式和其它式。旋轉(zhuǎn)式噴頭是將水通過高速旋轉(zhuǎn)的圓盤、圓杯或甩油盤等，由于離心力的作用，水將被甩出在表面張力的作用下實(shí)現(xiàn)霧化，壓力式噴頭是借助壓力的作用實(shí)現(xiàn)霧化的，氣動(dòng)式噴頭是利用氣體與液體之間的相互擠壓、剪切的作用實(shí)現(xiàn)液體的霧化，有的噴頭是利用超聲或靜電技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的霧化的。其中，結(jié)構(gòu)最為常見的是壓力式噴頭[6]。

2 壓力式單回路噴頭的改進(jìn)

本文初步選取壓力式噴嘴結(jié)構(gòu)，具體型號(hào)選用單路噴嘴，該種噴頭形成的細(xì)水霧的霧動(dòng)量較大、射程較大，可以滿足貯木場(chǎng)消防要求的霧動(dòng)量大，射程大的要求，不足的是難以滿足霧化錐角，霧粒均勻度的要求，因此需要對(duì)不足之處做針對(duì)性的改進(jìn)。

本文通過設(shè)計(jì)二級(jí)霧化結(jié)構(gòu)的噴嘴改進(jìn)霧粒均勻度的問題，提高射程，使滅火的方向更容易調(diào)節(jié)，使其對(duì)貯木場(chǎng)滅火要求更加適應(yīng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 二級(jí)霧化機(jī)構(gòu)示意圖

3 CFD仿真模擬

3.1 CFD仿真模擬的模型

本文采用Fluent軟件進(jìn)行模擬，繪制圖形后，用Gambit劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入Fluent中模擬噴頭所形成水霧的速度分布、壓力分布。模擬條件如下：未改進(jìn)噴頭霧化噴嘴直徑d1為1 mm，長度l1為5 mm；改進(jìn)后的二級(jí)霧化噴嘴的第一級(jí)霧化噴嘴與未改進(jìn)的噴頭的噴嘴尺寸相同，第二級(jí)霧化噴嘴的直徑d2依次取1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.0 mm；相應(yīng)的長度l2取5.0 mm。借助模擬的速度場(chǎng)圖和密度場(chǎng)圖，來確定能形成最好滅火性能的細(xì)水霧的第二級(jí)噴嘴的最優(yōu)尺寸。

模擬的條件為：為了便于模擬對(duì)噴嘴進(jìn)行一定的簡化，對(duì)稱的網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)外的網(wǎng)格技術(shù)來建立，為了快速求解將網(wǎng)格劃分為24 000個(gè)，將噴霧空間設(shè)置噴霧軸向l×噴霧徑向r為6 m×2 m，輔相為流體水，主相氣態(tài)空氣，不考慮其它的條件變化。

初始條件為：噴嘴的內(nèi)部為流體水，外部為空氣，噴嘴入口處為外界壓力入口，設(shè)為高壓3 MPa，噴嘴出口處為壓力出口，設(shè)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓[8]。

為了對(duì)比改進(jìn)后的二級(jí)霧化結(jié)構(gòu)噴嘴與一級(jí)霧化結(jié)構(gòu)噴嘴霧化性能，模擬在相同的外界條件下所形成的細(xì)水霧的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和密度場(chǎng)。

3.2 模擬過程

通過Fluent軟件模擬確定最優(yōu)的尺寸，具體的方法是根據(jù)不同的第二級(jí)霧化噴嘴的直徑產(chǎn)生的模擬效果，觀察不同的尺寸產(chǎn)生的密度云圖，速度云圖，壓力云圖。密度越均勻表明產(chǎn)生的霧化效果越好，速度云圖與壓力云圖能表明噴霧的動(dòng)量大小，反映的是其射程，同樣的條件下，射程遠(yuǎn)的噴嘴滅火效果較好，所謂較優(yōu)的尺寸也是以二者為指標(biāo)的[9-11]。

圖3 不同尺寸的第二級(jí)霧化噴嘴的密度云圖

在圖3中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為改進(jìn)的第二級(jí)霧化噴嘴的直徑為1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.0 mm時(shí)的密度云圖，可以發(fā)現(xiàn)，其密度分布呈現(xiàn)的規(guī)律是：二級(jí)霧化噴嘴的直徑在1.2～3.0 mm變化時(shí)，其霧化的均勻度是呈大概的拋物線變化的，在直徑為2.8 mm附近時(shí)的均勻度最好，也即霧化效果最好。

圖4 不同尺寸的第二級(jí)霧化噴嘴的速度云圖

在圖4中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為改進(jìn)的第二級(jí)霧化噴嘴的直徑為1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.0 mm時(shí)的速度云圖。從這些速度云圖中可以看出，二級(jí)霧化噴嘴的直徑在1.2～3.0 mm變化時(shí)，其噴霧動(dòng)量呈大概的拋物線變化的，在直徑為2.8 mm附近時(shí)最優(yōu)。

圖5 不同尺寸的第二級(jí)霧化噴嘴的壓力云圖

在圖5中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為改進(jìn)的第二級(jí)霧化噴嘴的直徑為1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.0 mm時(shí)的壓力云圖。通過圖5可以看出，隨著二級(jí)噴嘴直徑的增大，噴嘴所形成的細(xì)水霧霧錐的錐面處的壓力變化較小，其內(nèi)部的壓力變化較大，在二級(jí)霧化噴嘴直徑為2.8 mm時(shí)得到的壓力云圖分布明顯較其它尺寸時(shí)理想。

上述模擬過程中確定了噴頭的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸后，再進(jìn)行壓力式單路噴嘴的CFD仿真與模擬，圖6是分別為壓力式單路噴嘴的模擬的密度云圖、速度云圖和壓力云圖。

圖6 壓力式單路噴嘴的模擬圖

3.3 模擬結(jié)果分析

密度云圖可以直觀地表現(xiàn)出所形成的細(xì)水霧的粒徑的分布，對(duì)比二級(jí)霧化機(jī)構(gòu)的密度云圖如圖3所示?？梢钥闯龆?jí)霧化噴嘴的直徑為2.8 mm時(shí)的分布更為均勻；速度云圖可以直觀地表現(xiàn)出噴霧的動(dòng)量大小，進(jìn)而表明噴霧的射程大小[12]，對(duì)比速度云圖圖4看出二級(jí)霧化噴嘴的直徑為2.8 mm時(shí)的速度分布更好，直徑為2.8 mm的水霧射程最大，當(dāng)直徑繼續(xù)增大到3.0 mm時(shí)，其射程又略微減小，在壓力云圖圖5中也反映了同樣的現(xiàn)象。

綜合以上的速度云圖、密度云圖、壓力云圖的分析，取最優(yōu)的二級(jí)霧化結(jié)構(gòu)的尺寸為2.8 mm，達(dá)到霧粒均勻的霧化要求，射程也最優(yōu)，認(rèn)為該尺寸是改進(jìn)結(jié)構(gòu)的理想尺寸。

同時(shí)，分析對(duì)比改進(jìn)前后噴頭的密度云圖、速度云圖[13]。密度云圖中，二級(jí)霧化機(jī)構(gòu)的霧粒的均勻度明顯高于單級(jí)機(jī)構(gòu)，尤其表現(xiàn)在較遠(yuǎn)的空間內(nèi)；壓力云圖中，在二級(jí)霧化噴嘴的尺寸為2.8 mm時(shí)所形成的內(nèi)部的壓力優(yōu)于其它尺寸，表明內(nèi)部的霧粒更為均勻；速度云圖中，二級(jí)霧化機(jī)構(gòu)的速度分布更為合理，其射程有了很大的提高。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合倉貯木場(chǎng)的滅火要求，提出了對(duì)壓力式單回路細(xì)水霧噴頭的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行CFD的仿真模擬，得出以下結(jié)論。

(1)在壓力式單路噴嘴的基礎(chǔ)上，改進(jìn)為二級(jí)霧化機(jī)構(gòu)，提高了霧化的質(zhì)量。

(2)通過CFD的仿真模擬發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的二級(jí)霧化噴嘴較單級(jí)霧化結(jié)構(gòu)性能有了很大的提高，主要表現(xiàn)在細(xì)水霧的噴霧動(dòng)量和射程方面兩個(gè)方面。這種高射程、有著更好霧粒均勻度的細(xì)水霧可以有效地抑制火勢(shì)，快速地控制貯木場(chǎng)易形成大型火災(zāi)的特點(diǎn)，更符合貯木場(chǎng)的消防要求。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]辛 穎，薛 偉.貯木場(chǎng)楞堆燃燒溫度場(chǎng)數(shù)值模擬試驗(yàn)[J].西部林業(yè)科學(xué)，2011，40(3)：28-35.

[2]張佩劍，楊慧敏，楊學(xué)春，等.貯木場(chǎng)自動(dòng)化原木生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)[J].森林工程，2011，25(6)：40-41.

[3]王帥軍，辛 穎，劉 念，等.基于fluent的一種細(xì)水霧噴頭的設(shè)計(jì)仿真[J].森林工程，2013，27(3)：100-104.

[4]周 華，鄧 東，周善懷，等.高壓單相流細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的研制及實(shí)驗(yàn)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2004，4(7)：351-353.

[5]張誠建.消防與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系研究[J].河南科技，2012，37(24)：131.

[6]陸春義.細(xì)水霧噴霧系統(tǒng)及滅火機(jī)理研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2004.

[7]張 慧.細(xì)水霧滅火技術(shù)研究[D].太原：中北大學(xué)安全技術(shù)與工程，2008.

[8]周 華，盧紅祥，鄧 東，等.新型細(xì)水霧滅火噴頭的研制[J].液壓與氣動(dòng)，2006(7)：62-65.

[9]吳雪佳.論細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，1995(3)：44-50.

[10]Fitch E C.A new theory for the contaminant sensitivity of fluid power pumps [J].The BFPR Journal，1976，6：233-234.

[11]龍 蕓.細(xì)水霧滅火系統(tǒng)現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2004(12)：63-67.

[12]Arvidson M，Ingason H.Measurement of the efficiency of a water spray system against diesel oil pool and spray fires[M].Sweden：Swedish National Testing and Research Institute，2005.

[13]卞 偉，薛 偉.貯木場(chǎng)楞堆火災(zāi)的實(shí)驗(yàn)研究[J].森林工程，2006，22(3)：1-4.