一種七噴嘴細水霧噴頭的設(shè)計與仿真

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(1.西華大學能源與動力工程學院，四川 成都 6100392.成都威斯特消防機械有限公司，四川 成都 611730)

·能源與環(huán)境·

一種七噴嘴細水霧噴頭的設(shè)計與仿真

唐 孛1，李慶剛1*，成華友2，葛 凱1

(1.西華大學能源與動力工程學院，四川 成都 6100392.成都威斯特消防機械有限公司，四川 成都 611730)

為解決單噴嘴細水霧噴頭霧化錐角較小及多噴嘴組合式細水霧噴頭體積與流量較大等問題，設(shè)計一種新型直射混合旋流式七噴嘴的細水霧噴頭，研究噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)與型式對噴頭霧化效果的影響，并在多個壓力工況下對最優(yōu)結(jié)構(gòu)配比噴頭進行數(shù)值模擬。仿真結(jié)果表明：新型七噴嘴直射混合旋流式細水霧噴頭能夠獲得較大軸向動量和徑向動量，且由7個噴嘴有效地增大了噴頭的霧化保護錐角，在1.2 MPa工況理想狀況下噴霧保護錐角最大可達146.3°，流量特性系數(shù)K在3.82～3.87之間，具有足夠的噴射強度。

七噴嘴;細水霧；參數(shù)優(yōu)化；CFX仿真

細水霧噴頭是細水霧滅火系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣決定了系統(tǒng)的整體功效[1]。由于細水霧滅火噴頭內(nèi)部湍流運動以及外部兩相霧化機制的復雜性，目前工程應(yīng)用的細水霧滅火噴頭的霧化效果仍然不太理想，因此對細水霧滅火噴頭的結(jié)構(gòu)和霧化性能進行研究探討是必要的[2]。本文針對單噴嘴細水霧噴頭霧化半徑和保護半徑較小及多噴嘴噴頭的體積和流量太大等問題，在課題組已有研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種新型七噴嘴結(jié)構(gòu)直射混合旋流式細水霧噴頭，并對其進行CFX仿真。

1 七噴嘴細水霧噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1設(shè)計思路

筆者所在的課題組已分別設(shè)計發(fā)明了一種混合旋流式單噴嘴噴頭及一種基于此的五噴嘴組合式噴頭，并均已獲得國家專利。在此基礎(chǔ)上，筆者通過改變進水方式及增加節(jié)流孔，設(shè)計出一種新型直射混合旋流式七噴嘴結(jié)構(gòu)噴頭，以期能夠解決單噴嘴細水霧噴頭霧化保護錐角較小及多噴嘴組合式細水霧噴頭體積與流量較大等問題，實現(xiàn)噴頭結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、霧化性能好、霧化保護半徑大、噴霧動量大、霧粒密度均勻、耗水量少、滅火效能好、各個噴嘴孔噴霧間無干擾等優(yōu)點。

1.2七噴嘴細水霧噴頭結(jié)構(gòu)

該七噴嘴細水霧噴頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。其結(jié)構(gòu)特點：具有1個頂部進水口(直徑D1)和2個斜向側(cè)面進水口(直徑D2),以及在底部有1個中心噴嘴出水口(直徑D3)和6個側(cè)向噴嘴出水口(直徑D4)。2個旋向一致的側(cè)面斜向進水口以與側(cè)面內(nèi)壁面切向成30°角進入噴頭的混合腔，產(chǎn)生旋流，并與頂部進水口的直射流混合，形成具有強烈擾動的旋流運動，在頂部進水口軸向動能推動下，混合旋流最后從噴頭的各個噴嘴出水口噴出與大氣產(chǎn)生強烈碰撞形成細水霧[3]。

圖1 多噴嘴組合式細水霧噴頭結(jié)構(gòu)

該噴頭具有以下特點：

1)噴頭有效利用了進入噴頭混合旋流腔壓力水的直射能量和旋轉(zhuǎn)能量；

2)具有多個噴嘴，實現(xiàn)了較大的保護半徑；

3)體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，加工簡單。

1.3結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

頂部進水口D1和2個斜向側(cè)面進水口D2的合適配比是確保細水霧兼具較大軸向動量和霧化半徑的重要參數(shù)。D1越大，軸向動量越大，但是過大會使霧化角縮小且不利于撲滅油類火災；D2越大，徑向動量越大，霧化半徑也就越大，但在總能量一定的條件下，徑向動量過大會導致軸向動量過小，細水霧的貫穿距離減小，也不利于火災的撲滅[4]。

據(jù)已有的研究成果可知，節(jié)流孔是噴頭實現(xiàn)霧化的關(guān)鍵部位，節(jié)流孔D3和D4盡可能地小，以減小霧滴直徑和流量；但不可過小，增加壁面摩擦損失而導致射流能量損失過大，且容易導致節(jié)流孔被雜質(zhì)堵住[4]。依據(jù)課題組的實驗結(jié)果，收縮角α介于45°與70°較為合理。同時，也應(yīng)當考慮中心出水口和側(cè)面出水口之間的角度β，在實現(xiàn)擴大霧化錐角的同時各個噴嘴盡量不產(chǎn)生干涉。

綜上，在噴頭結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計中，取D3與D4均為1 mm，α為60°，β為45°，D1為1～5 mm，D2為1～2 mm。設(shè)i=D1/D2,對不同i組合的不同結(jié)構(gòu)配比的新型七噴嘴直射混合旋流式細水霧噴頭進行數(shù)值模擬。噴頭的結(jié)構(gòu)配比如表1所示。

表1 噴頭的結(jié)構(gòu)配比

2 七噴嘴細水霧噴頭的數(shù)值模擬

2.1數(shù)學模型

細水霧噴頭霧化過程是異常復雜的，不僅包括噴頭內(nèi)部的混合旋流、湍流，還涵蓋了外部流場的射流、雙相流、空氣連續(xù)相破裂、霧滴的碰撞、聚合卷吸等復雜運動[5]；因此，目前僅有多個近似描述該類流場的數(shù)學模型。筆者選用的是RNGk-ε模型，實驗證明選擇RNGk-ε模型對于噴霧這類流動是比較恰當?shù)腫6]。其中：k為湍動能，其單位為m2/s2，定義速度波動的變化量;ε為湍動能耗散，其單位為m2/s3，表征速度波動耗散的速率。k、ε值直接從湍動能和湍動能耗散方程中求解，方程為：

(1)

(2)

式中Cε2RNG、σk、σε為常數(shù)。

Cε1RNG=1.42-fη，

(3)

(4)

(5)

式中：βRNG、CμRNG為常數(shù)；Pk為黏性力和浮力的湍流產(chǎn)物[7]。

2.2網(wǎng)格劃分與流場設(shè)定

噴頭的內(nèi)部流場及外部流場的模型是使用ANSYS的前處理軟件ICEM建立的，并對其進行網(wǎng)格劃分，對噴頭的進出口附近進行局部加密，如圖2所示。由于外部流場模型體積過大，中心節(jié)流孔與側(cè)面節(jié)流孔僅僅是速度大小的差別(忽略了重力因素)，故建立一中心切平面來輔助分析，其網(wǎng)格劃分見圖3。

圖2 噴頭內(nèi)部整體流場的網(wǎng)格劃分

圖3 外部流場中心面網(wǎng)格劃分

在不同壓力工況下對整個流場進行數(shù)值模擬，并將整個流場模擬分為噴頭內(nèi)部流場及外部流場。噴頭的3個進水口均設(shè)為壓力進口，7個噴嘴節(jié)流孔設(shè)為壓力出口，外界為空氣，相對壓強為0。外部流場含水和空氣兩相，采用VOF模型，第一相為空氣，輔相為水。通過動態(tài)改變步長進行非穩(wěn)態(tài)計算來加速收斂，同時為增強計算的準確性，根據(jù)流場的壓力梯度進行網(wǎng)格的自適應(yīng)調(diào)整[8]。

2.3不同i組合數(shù)值模擬結(jié)果的噴頭優(yōu)化結(jié)構(gòu)確定

設(shè)計的噴頭主要應(yīng)用于中高壓消防滅火系統(tǒng)，在5 MPa壓力工況下依次對各個代號的噴頭進行數(shù)值模擬，7個噴頭的模擬結(jié)果如表2、表3所示。

表2 噴頭的速度模擬結(jié)果

表3 噴頭的壓力模擬結(jié)果

通常認為節(jié)流孔出口噴射速度越大,壓強越接近大氣壓(也應(yīng)避免負壓),則霧化效果越好。由表2及表3可知，IV噴頭是最優(yōu)方案。同時還對選定的IV噴頭在多個壓力工況(1.2、2.5、3.5、5、7 MPa)下進行了模擬分析。

2.4 IV噴頭內(nèi)部流場數(shù)值模擬結(jié)果

由圖4及圖5可看出，進水口處壓力最高，混合腔壓力趨于穩(wěn)定，而出水口處壓力急劇減小。其中，軸向進水口流道壓力要低于側(cè)向進水口流道及混合腔的壓力，這是由于只有軸向進水口速度(流量)大才能滿足質(zhì)量守恒(有7個節(jié)流孔，只有3個進水口)。除了一小部分壓力損失，其余減小的壓力能轉(zhuǎn)化為水流動能。通過對比圖5可知，壓力能的降低與水流動能的增加是同步的。

由圖6及圖7可知，側(cè)向進水流沖擊軸向水流并與之相混合，產(chǎn)生強烈旋轉(zhuǎn)，在收縮通道前開始劇烈湍流，而后從節(jié)流孔噴出。水在進水口流段是平穩(wěn)加速；在混合腔內(nèi)3股水流混合旋流，速度發(fā)生明顯變化；在收縮通道及節(jié)流孔處速度迅速變大，在節(jié)流孔截面處達到最大值，符合理想的噴霧效果。同時，可以觀測到中心節(jié)流孔截面的速度要大于側(cè)面節(jié)流孔截面的速度，這是由于β角的存在使

圖4 噴頭內(nèi)部壓力分布圖(5 MPa)

圖5 噴頭內(nèi)部YZ平面壓力分布圖(5 MPa)

圖6 噴頭內(nèi)部流線圖(5 MPa)

得側(cè)面節(jié)流孔流道的壓力損失較中心的更大。不同壓力工況與出口速度的關(guān)系如圖8所示。

顯然，節(jié)流孔出口速度隨壓力提高而顯著增大，軸向動量增大，提升了霧滴穿透火焰的能力[9]。

圖7 噴頭內(nèi)部YZ平面速度矢量圖(5 MPa)

圖8 壓力工況與出口速度關(guān)系

通過節(jié)流孔射流速度可計算出噴頭的流量，壓力工況與流量及流量特性系數(shù)K的關(guān)系如圖9、圖10所示。

圖9 壓力工況與噴頭流量關(guān)系

圖10 壓力工況與流量特性系數(shù)K的關(guān)系

流量特性決定采用該噴頭的滅火系統(tǒng)滅火能力的大小，它反映了噴頭的容積(或重量)流量隨壓力的變化值[10]。在5種測試壓力下，噴頭流量隨壓力增大而增大，但受限于噴頭的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，其增大幅度要略小于壓力增大的幅度。流量特性系數(shù)K隨壓力小范圍波動。

2.5 IV噴頭外部流場模擬結(jié)果

Ⅳ噴頭外部流場模擬結(jié)果如圖11—13所示。可以看出，這種直射旋流式的結(jié)構(gòu)可以有效增大霧化錐角，霧化錐角θ隨測試壓力增大而縮小。受噴射壓力和背壓(液體噴射進入氣體環(huán)境的壓力)之差的影響，高速噴霧的噴射作用會導致環(huán)境氣體發(fā)生強烈的擾動，并使噴霧的錐角縮小，隨著壓力差的增加和噴射速度的進一步增大，這種影響會越來越大，并造成液束形態(tài)的改變[11-12]。整體上，在1.2 MPa壓力工況理想狀況下七噴嘴細水霧噴頭中心截面的霧化錐角最大可達146.3°，噴霧半徑及覆蓋范圍較大。

圖11 噴頭霧化效果圖(2.5 MPa中心節(jié)流孔)

圖12 噴頭霧化效果圖(2.5 MPa側(cè)面節(jié)流孔)

圖13 壓力工況與噴頭霧化錐角關(guān)系

3 結(jié)論

筆者設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)部流道能量損失小的新型直射混合旋流式七噴嘴細水霧噴頭，通過數(shù)值模擬得出以下結(jié)論：

1)合理選擇i可以提高節(jié)流孔出口噴射速度，從而提高霧化效果，當i=2時霧化效果最好；

2)兩個側(cè)面斜向進水口以與側(cè)面內(nèi)壁面切向成30°角進入噴頭的混合腔加強了對軸向水流的沖擊，產(chǎn)生強烈旋流，使紊流更為劇烈，噴霧的徑向動量更大，從而增大了噴頭的霧化保護錐角；

3)七噴嘴的結(jié)構(gòu)布置有效增大了噴頭的霧化保護錐角，在1.2 MPa壓力工況理想狀況下七噴嘴細水霧噴頭中心截面的霧化錐角最大可達146.3°，效果理想；

4)流量特性系數(shù)K在3.82～3.87之間，足夠滿足一般工程設(shè)計對細水霧噴頭的噴霧強度要求。

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(編校：夏書林)

DesignandSimulationofWaterMistwithSeven-nozzle

TANG Bei1, LI Qing-gang1*,CHENG Hua-you2,GE Kai1

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.ChengduWeisiteFire-fightingEquipmentCo.,Ltd,Chengdu611730China)

In order to solve problem that atomization angle of the single- nozzle with water mist is too small and the problem that volume and flow of combined multi-nozzle with water mist is too big, a new type of seven-nozzle with perpendicular incidence rotational flow atomization water mist has been designed by studying the effect of the structural parameters and the type of the nozzle on nozzle atomization and having numerical simulation on the nozzle under optimal structural control and multi-pressure. The simulation result shows that: the new type of seven-nozzle can acquire greater axial and radial momentum; the structure of the seven-nozzle effectively enlarges the atomization angle; under the pressure of 1.2Mpa, the maximum angle can enlarge to 146.3°；the nozzle has enough jetting strength because the flow coefficient K of the seven-nozzle is between 3.82 and 3.87.

seven-nozzle;water mist;parameter optimization；CFX simulation

2015-03-25

流體及動力機械教育部重點實驗室基金項目(szjj2013-010);西華大學研究生創(chuàng)新基金(YCJJ2014070);西華大學研究生創(chuàng)新基金(YCJJ201384)。

：李慶剛(1956—)，男，教授，碩士，主要研究方向為流體機械及工程。E-mail:lqg@mail,xhu.edu.cn.

TK7；O351；TB12

：A

：1673-159X(2015)04-0083-05

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.04.017

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