手提活塞式高壓細水霧發(fā)生器特性仿真研究

, , , 　, 　(.中國海洋大學(xué) 山東省海洋工程重點實驗室， 山東 青島　26600；2.國家海洋局 南海維權(quán)技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室， 廣東 廣州　500；.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院， 北京　009)

引言

高壓細水霧是指工作壓力不小于8 MPa，距噴嘴1 m 處平面上形成的霧滴直徑Dv0.99大于200 μm的水微粒[1]。水與環(huán)境相容、與火相克、熱容量(4.2 J/(g·K))大、氣化潛熱能(2442 J/g)高等特性及細水霧屬性，如霧滴直徑微小，表面積大，熱交換性能優(yōu)良，增強降溫效果；吸收熱量后迅速汽化，體積急劇膨脹(達到1700多倍)，降低了氧氣濃度，抑制氧化反應(yīng)速度；優(yōu)越的隔熱輻射傳遞性能等[2,3]，使得細水霧滅火技術(shù)具有傳統(tǒng)滅火技術(shù)，如水噴淋、鹵代烷滅火等，無可比擬的優(yōu)點，近年來，在國際上受到廣泛深入的研究，主要研究表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1) 細水霧滅火機理方面

對細水霧滅火機理的研究主要集中在細水霧與火焰的相互作用規(guī)律及細水霧抑制撲滅火災(zāi)的主導(dǎo)機理等方面的分析。楊立軍等[4]利用非線性突變理論，研究了細水霧滅火過程，推導(dǎo)出了火焰能量函數(shù)及火焰臨界熄滅溫度的表達式，得到了細水霧撲滅正庚烷油盆火熄滅邊界，并進行了相關(guān)實驗論證。LIU[5-7]詳細論述了細水霧滅火機理，得出細水霧是在冷卻、窒息、阻隔輻射熱及浸潤等作用下達到控制、抑制、撲滅火災(zāi)，并對細水霧撲滅不同類型火災(zāi)的機理及過程進行了理論及試驗研究，得出針對不同類型火災(zāi)，其抑制撲滅火災(zāi)的主導(dǎo)機理及過程是不同的，所需的細水霧特性，如霧滴直徑、噴射距離等也存在差異。

(2) 噴嘴設(shè)計及霧化特性方面

對于噴嘴的設(shè)計及霧化特性，國內(nèi)外學(xué)者已展開了大量研究工作。范文宏等[8]介紹了一種離心噴嘴的結(jié)構(gòu)，并對其流場特性進行了仿真研究，指出邊壁粗糙度對噴霧錐角有很大影響。周華等[9,10]研發(fā)了一種兩級霧化噴嘴，分析了噴嘴直徑、噴霧壓力等對霧滴直徑、噴霧密度分布等霧化特性的影響，并對其滅火性能進行了實驗研究，結(jié)果表明該噴嘴霧化效果好、滅火能力強。YOON[11]通過旋流霧化實心錐噴嘴的流量系數(shù)及霧化錐角的理論及實驗研究，指出當(dāng)旋流系數(shù)小時，流量系數(shù)受其影響?。划?dāng)旋流系數(shù)大時，流量系數(shù)隨之增大而減小，而霧錐角隨之增大而增大。Geoff等[12]對典型噴嘴的霧錐角、流量、霧滴分布等進行了大量的試驗研究，為細水霧噴嘴的設(shè)計及選擇提供了依據(jù)。

(3) 細水霧滅火系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用方面

由于細水霧滅火技術(shù)安全、環(huán)保、滅火機理先進、滅火效果好，使其應(yīng)用基本不受場所限制，尤其是對高危險場合的局部保護和對密閉空間的保護特別有效。目前，已研制出固定式、車載移動式、手提式三類細水霧滅火系統(tǒng)，在陸上(如室內(nèi)、隧道等)[13，14]、海上(如船舶)[15]及太空(如空間站)[16，17]都有應(yīng)用的介紹。

綜上所述，現(xiàn)有的研究側(cè)重于滅火機理、霧化機理、霧滴特性、噴嘴及系統(tǒng)研發(fā)上，而對細水霧滅火系統(tǒng)，特別是手提式的系統(tǒng)的靜動態(tài)特性，如滅火時長、工作壓力等研究甚少。

手提式高壓細水霧發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及工作原理類似于液壓蓄能器，它預(yù)先將能量轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽軆Υ嫫饋?，噴霧時，又將勢能轉(zhuǎn)變?yōu)樗膭幽茚尫?。首先，由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，其儲能有限，影響滅火時長；其次，由于能量的釋放，其工作壓力變化較大，影響霧化特性及滅火效能。因此，有必要對這些特性進行研究，以優(yōu)化手提式細水霧發(fā)生器的設(shè)計。

設(shè)計研制了一款手提活塞式高壓細水霧發(fā)生器，建立了其數(shù)學(xué)模型，對充水及噴霧過程進行了仿真研究，詳細分析了充水速度、噴霧瞬間壓力、活塞直徑等參數(shù)對活塞運動特性、腔內(nèi)壓力及溫度的影響，為設(shè)計手提活塞式高壓細水霧發(fā)生器提供依據(jù)。

1　設(shè)計

1.1　工作原理

借鑒液壓蓄能器結(jié)構(gòu)、蓄能方式及工作原理，文中的手提式高壓細水霧發(fā)生器采用充氣活塞式結(jié)構(gòu)，如圖1a所示：主要由進氣閥、缸體、活塞(密封圈)、手動啟閉閥及噴嘴等組成。其工作原理如圖2所示：① 預(yù)先通過進氣閥向下腔充入一定壓力pgc的氣體；② 更換噴嘴為過渡接頭，通過過渡接頭及手動啟閉閥向上腔充入高壓水，活塞下移，壓縮下腔氣體，實現(xiàn)蓄能過程。蓄能完成后，關(guān)閉手動啟閉閥，更換過度接頭為噴嘴，以備使用；③ 開啟手動啟閉閥，在下腔高壓氣體作用下，活塞上移動，高壓水通過噴嘴霧化，實現(xiàn)滅火； ④ 重復(fù)過程②③，實現(xiàn)細水霧發(fā)生器重復(fù)使用。細水霧發(fā)生器工作循環(huán)如圖3所示：①噴霧過程，由于噴霧時間較長，過程較緩慢，可假設(shè)此過程中，氣體腔的變化是等溫變化；②放置過程，由于此時水和氣體體積均無變化，故此過程為等容過程；③充水過程由外部水液壓系統(tǒng)控制，能慢速和快速充水。慢速充水是等溫過程，為噴霧的反過程，在此不做討論；快速充水過程中，氣體壓縮快，可認為此過程為等熵過程。

圖1　手提活塞式高壓細水霧發(fā)生器

圖2　細水霧發(fā)生器工作原理

圖3　細水霧發(fā)生器工作循環(huán)

1.2　計算

參照NFPA 750-2006《細水霧滅火系統(tǒng)規(guī)范》[1]及國標(biāo)GB 4398-1999《手提式水型滅火器》[18]，確定樣機參數(shù)如下：

(1) 滅火劑量Vw≈0.4 L；

(2) 有效噴霧時間T≥15 s；

(3) 工作壓力范圍8～12 MPa，最高工作壓力14 MPa；

(4) 噴射剩余率(%)=Vu/Vw≤5%(Vu為殘余水體積)。

由上述分析知：

(1)

(2)

計算得：

Vgc=Vg3=1200×103mm3

Vg1=Vg2=800×103mm3

pg1≥14.1 MPa，T1≥344.5 K

(3)

相關(guān)尺寸關(guān)系：

Ahw=Vw2-Vw3，A(H-hp)

(4)

式中，A、d、hp分別為活塞面積、直徑及厚度，H為腔體總高，hw為液體腔高度。

選擇一個活塞直徑d，就可以計算出氣體腔、液體腔的高度；根據(jù)強度要求，可計算出腔體壁厚。其他方面的設(shè)計，如進氣閥、手動啟閉閥可參考相關(guān)流體傳動與控制方面的資料，在此不作闡述。

2　數(shù)學(xué)模型

由上述分析知，手提活塞式細水霧發(fā)生器是先通過高壓水源向液腔充水，通過活塞壓縮高壓氣體，以儲存能量，然后開啟閥門，壓縮氣體通過活塞驅(qū)動水，經(jīng)噴嘴霧化，實現(xiàn)滅火。其關(guān)鍵過程為充水過程和噴霧過程。

2.1　充水過程

充水過程的物理模型如圖4a所示，對活塞作受力分析得：

(5)

流體的體積彈性模量E可表示為：

(6)

對于液體腔：

Vwt=Vu+Ax

(7)

由式(7)和式(8)得：

(8)

(9)

對于氣體腔(忽略水壓縮性)：

Vgt=Vgc-Ax

(10)

(11)

由式(10)和式(11)得：

(12)

圖4　細水霧發(fā)生器充水及噴霧過程

2.2　噴霧過程

噴霧過程的物理模型如圖4b所示。對活塞作受力分析得：

(13)

對于液體腔：

Vwt=Vgc+Vu-Ax

(14)

由式(7)和式(15)得：

(15)

選用Danfoss噴嘴180Z1918，其最大工作壓力為14 MPa，噴射角為60°，流量特性近似表達為：

(16)

式中，qwt為通過噴嘴的流量(L/min)；pwt為噴嘴進口端壓力(Pa)。

由式(1)得：

(17)

對于氣體腔：

Vgt=Vg1+Ax

(18)

pgtVgt=pg3Vg3=pgcVgc

(19)

故：

(20)

(21)

(22)

主要參數(shù)有充水速度q、溢流閥調(diào)定壓力ps、預(yù)充氣體壓力pgc、摩擦力Ff、活塞直徑d及質(zhì)量m、阻尼系數(shù)c、殘余水的體積Vu、水的體積彈性模量Ew。其中Ff、c不僅取決于密封圈預(yù)壓縮量、活塞及腔體內(nèi)壁表面質(zhì)量等因素，而且受活塞直徑、工作壓力、運動速度等因素的影響，很難確定，但手提活塞式細水霧發(fā)生器具有以下特征：

(1) 活塞直徑變化范圍小考慮到外觀的美感，腔體的高度與直徑之比應(yīng)接近1∶0.618(黃金分割)，如選取活塞直徑d=100 mm，可計算出hw≈51 mm，hgc≈102 mm；

(2) 活塞運動速度低如噴霧時，活塞(d=100 mm)運動的平均速度為hw/T≤3.5 mm/s；

(3) 工作壓力范圍小：8～12 MPa。

因此，在本研究中Ff、c取為常數(shù)。主要參數(shù)見表1。

表1　主要參數(shù)表

3　結(jié)果與分析

根據(jù)式(21)、(22)，在MATLAB中利用四階龍格庫塔法對手提活塞式高壓細水霧發(fā)生器的充水及噴霧過程進行仿真研究。

3.1　充水過程

本過程主要研究充水速度(流量)對充水時間、活塞運動特性、液體腔壓力、氣體腔壓力及溫度的影響。圖5～圖8分別是在預(yù)充氣壓力為8 MPa、溢流閥調(diào)定壓力14 MPa，不同充水速度qw下，活塞位移、速度、液/氣腔壓力及氣體腔溫度隨時間變化曲線，從圖中可以看出：

圖5　充水速度對活塞位移的影響

圖6　充水速度對活塞速度的影響

圖7　充水速度對腔內(nèi)壓力的影響

(1) 活塞運動特性、腔內(nèi)壓力及溫度變化趨勢基本一致；且充水速度越快，完成時間或達到穩(wěn)態(tài)時間越短。

圖8　充水速度對氣體腔溫度的影響

(2) 活塞位移先與時間呈線性增大，然后趨于穩(wěn)態(tài)值；且充水速度越大，位移變化越快，穩(wěn)態(tài)值略大。

(3) 活塞速度瞬間上升至穩(wěn)態(tài)值，運動一段時間后較緩慢的下降至零；且充水速度越大，穩(wěn)態(tài)值越大，速度上升幅度(瞬間加速度)越大調(diào)整時間越長。

(4) 液體腔壓力瞬間上升并超過氣體腔壓力，并快速趨近于氣體腔壓力，隨后液體腔壓力略高于氣體腔壓力，并一起低速爬升，最終趨于平衡；且充水速度越大，壓力上升越快，趨于穩(wěn)態(tài)所需時間越短。

(5) 氣體腔溫度先隨時間呈非線性上升，然后趨于穩(wěn)態(tài)值；且充水速度越大，溫度上升越快，穩(wěn)態(tài)值略大。

根據(jù)充水結(jié)束時氣體腔壓力及溫度、放置過程特點(等容過程)、噴霧瞬間氣體腔溫度(室溫)計算出噴霧瞬間氣體腔壓力。

3.2　噴霧過程

本過程主要研究噴霧瞬間壓力及活塞直徑對噴霧過程中的噴霧時間、活塞運動特性、液腔壓力、氣腔壓力等影響。變化規(guī)律曲線如圖9～圖12所示，從圖中可以看出：

圖9　活塞位移變化曲線

圖10　活塞速度變化曲線

圖11　活塞加速度變化曲線

(1) 活塞運動特性(位移、速度及加速度)和腔內(nèi)壓力變化趨勢基本一致，且噴霧時間均大于15 s。

(2) 活塞位移先隨時間呈拋物線增大，然后趨于穩(wěn)態(tài)值；穩(wěn)態(tài)速度受噴霧瞬間壓力影響小，而受活塞直徑影響大。

(3) 活塞速度瞬間快速上升，且出現(xiàn)較大波動，然后趨于穩(wěn)態(tài)，緩慢減小，噴霧結(jié)束時迅速降至零；噴霧瞬間壓力越高波動越大，穩(wěn)態(tài)值越大，噴霧時間越短；活塞直徑越小，波動越小，穩(wěn)態(tài)值越大，活塞直徑對噴霧時間影響較小。

(4) 活塞加速度瞬間出現(xiàn)較大的波動，然后在較短時間內(nèi)不大于0.5 s趨于一個穩(wěn)態(tài)微小值；且噴霧瞬間壓力越高或活塞直徑越大，波動越大。

(5) 腔內(nèi)壓力先與時間呈非線性減小，噴霧結(jié)束時，液腔壓力迅速降至零，氣腔壓力趨于定值；且噴霧瞬間壓力越高，腔內(nèi)壓力越大，噴霧時間越短；活塞直徑對腔內(nèi)壓力變化影響較小。

圖12　腔體內(nèi)壓力變化曲線

由上述研究得出，在滿足設(shè)計要求下，活塞直徑越小越好，噴霧瞬間壓力越低越好。結(jié)合前節(jié)及充水過程的分析，選取活塞直徑d=100 mm，噴霧瞬間壓力pg2=12 MPa。由式(1)～式(4)可計算得手提活塞式細水霧發(fā)生器其他尺寸及預(yù)充氣壓力，在此不再贅述，研制出的樣機如圖1b所示。

4　結(jié)論

設(shè)計研制了一款手提活塞式高壓細水霧發(fā)生器，對其充水及噴霧過程進行了仿真研究，詳細分析了充水速度、噴霧瞬間壓力、活塞直徑對活塞運動特性、腔內(nèi)壓力及溫度等的影響。得出：

(1) 對同一細水霧發(fā)生器，充水越快，充水所需時間越短、活塞運動速度越大、腔內(nèi)壓力變化及溫度上升越快，但充水速度對充水結(jié)束后狀態(tài)影響??；

(2) 相同滅火劑量下，噴霧瞬間壓力越高，噴霧時間越短，活塞運動速度及波動和加速度波動越大，壓力下降越快；

(3) 相同滅火劑量下，活塞直徑越小，活塞位移越大，活塞運動速度及波動和加速度波動越小，但活塞直徑對滅火時間及腔內(nèi)壓力影響小；

(4) 在滿足設(shè)計指標(biāo)下，活塞直徑越小，噴霧瞬間壓力越小，活塞運動速度及加速度波動越小。

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