非貯壓手持式滅火器氣固兩相流數(shù)值模擬仿真研究

曹書華，莊弘煒，余鵬飛

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非貯壓手持式滅火器氣固兩相流數(shù)值模擬仿真研究

曹書華，莊弘煒，余鵬飛

（武警工程大學(xué)，陜西西安，710086）

對非貯壓手持式滅火器的氣固兩相流進(jìn)行研究，運(yùn)用Flunet軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，通過氣體速度矢量圖和顆粒速度流線圖，分析了兩相流體在筒體內(nèi)和外的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證。結(jié)果表明仿真與試驗(yàn)符合程度較高，本研究為滅火器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。

滅火器；氣固兩相流；仿真；試驗(yàn)

非貯壓手持式滅火器是一種新型的反自焚滅火裝備，其原理為產(chǎn)氣藥劑燃燒生成的煙火型氣溶膠氣體將筒體內(nèi)部的超細(xì)干粉全部穩(wěn)定、持續(xù)、迅速地噴發(fā)出去，作用于人體或其它物體的火焰燃燒表面。由于超細(xì)干粉的噴射是一個(gè)氣固兩相流運(yùn)動(dòng)，其噴射流場的特性是影響滅火效果的關(guān)鍵。因此，需要對非貯壓手持式滅火器的氣固兩相流進(jìn)行研究，為滅火器性能改進(jìn)和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 氣固兩相流數(shù)值模型分析

非貯壓手持式滅火器使用時(shí)，其滅火劑噴射過程是一種具有復(fù)雜的顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的稠密氣固兩相流動(dòng)，采用離散單元法（Discrete Element Method，DEM）對氣固兩相流流場進(jìn)行描述[1]，即對氣相流體采用宏觀尺度上的描述，在歐拉坐標(biāo)系下考察流體的運(yùn)動(dòng)情況，對固相顆粒采用顆粒尺度上的描述，在拉格朗日坐標(biāo)系下考察顆粒的運(yùn)動(dòng)情況[2-5]。

（1）氣相控制方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律和牛頓第二定律，在歐拉坐標(biāo)下描述氣相性質(zhì)。

（2）固相控制方程

滅火劑顆粒在流場中的運(yùn)動(dòng)可以分作平動(dòng)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行非勻速運(yùn)動(dòng)。為了更準(zhǔn)確描述滅火劑顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，把整個(gè)滅火劑顆粒的非勻速運(yùn)動(dòng)看作無數(shù)個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)組成，即用微分的概念，將滅火劑顆粒在每一個(gè)非常小的時(shí)間間隔△內(nèi)看作勻速運(yùn)動(dòng)[6-7]?？傻?，滅火劑顆粒在三維坐標(biāo)中的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)方程：

式（2）~（8）中：為滅火劑顆粒位移；f為滅火劑顆粒的碰撞力；f為氣體對滅火劑顆粒的總作用力；為流場的壓力梯度；V為單個(gè)滅火劑顆粒的體積；為滅火劑顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；T為滅火劑顆粒受到的轉(zhuǎn)動(dòng)合力矩；為滅火劑顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2 氣固兩相流數(shù)值模擬仿真過程

（1）幾何模型建立：根據(jù)筒體內(nèi)腔的尺寸，建立幾何模型的主體，長162mm，直徑47mm，噴口處內(nèi)錐角為130°，噴口直徑7mm。對產(chǎn)氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)進(jìn)行忽略，改為在模型底部設(shè)置一個(gè)進(jìn)氣口。已知產(chǎn)氣發(fā)生器上有8個(gè)產(chǎn)氣孔，每個(gè)孔直徑5mm，因此進(jìn)氣口大小近似為8個(gè)產(chǎn)氣孔大小之和，其直徑為17mm。器體模型如圖1所示。

圖1 筒體模型

由試驗(yàn)觀察，將流場區(qū)域大小設(shè)置為4m×3m ×3m，滅火器噴口方向?yàn)樗椒较颉Ｕ麄€(gè)計(jì)算區(qū)域模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域模型

（2）網(wǎng)格劃分：整個(gè)非貯壓手持式滅火器氣固兩相流場的幾何模型具有復(fù)雜的外形，因此用T-grid方法對其進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。為了更精確地研究滅火器的氣固兩相流動(dòng)，在劃分計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格時(shí)，最大體積約8.5×10-3m3，最小體積約6.3×10-11m3，總數(shù)約38萬左右。

（3）求解器選擇：由試驗(yàn)已知滅火器的噴射持續(xù)時(shí)間約為1.13s，結(jié)合其噴射距離，可知兩相流動(dòng)狀態(tài)為低速流動(dòng)。所以，模擬采用基于壓力的求解器。該求解器適用于中等可壓縮流動(dòng)，適合用于低速流動(dòng)的CFD模型。FLUENT的求解流程圖如圖3所示。

（4）模擬步驟：模擬滅火劑從滅火器筒體中噴出分為2個(gè)步驟：第1步是進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，獲得氣流場；第2步是在已經(jīng)獲得的氣流場中加入離散相，模擬追蹤離散相顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖3 FLUENT求解流程圖

穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型[3]，壁面的流動(dòng)也采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程。氣體入口給定特定的氣體組分以及速度大小，氣體組分按照“12.1%K2O、26.6%N2、24.7%H2O、25.2%CO、2.7%CO2”在“Species”中給出。速度大小為11.5m/s，這是能將滅火劑顆粒在1.13s左右完全從滅火器筒體中吹完的速度大小。初始時(shí)刻滅火器筒體和計(jì)算區(qū)域都是空氣。邊界條件設(shè)置時(shí)，將計(jì)算區(qū)域的地面設(shè)成“wall”，代表地面；計(jì)算區(qū)域其它面則都設(shè)成0壓力的壓力出口，也即自由開口，模擬空氣邊界；滅火器筒體設(shè)成“wall”，表示固體壁面。松弛因子為：壓力0.3，動(dòng)量0.7，其它保持默認(rèn)大小。

穩(wěn)態(tài)模擬收斂后，加入離散相進(jìn)行瞬態(tài)模擬。離散相以“Injections”加入，選定面噴射源，再選擇整個(gè)滅火器器體作為噴射源。滅火劑顆粒初速度為零，平均直徑大小為15μm，總質(zhì)量150g。顆粒追蹤選擇離散隨機(jī)游動(dòng)模型。拽力模型選用“Spherical”，離散相的物理模型選用“Saffman Lift Force”和DEM碰撞模型，這是由于滅火劑顆粒較輕，會(huì)受到空氣的浮升力作用，同時(shí)顆粒之間也會(huì)有碰撞，模擬考慮器性碰撞。此外，將重力項(xiàng)打開，加速度大小設(shè)為9.81m/s2，方向豎直向下。瞬態(tài)模擬的時(shí)間步長為0.01s，也就是每隔0.01s對顆粒進(jìn)行一次追蹤，得出運(yùn)動(dòng)軌跡及速度大小等情況。

（5）求解控制壓力速度耦合采用“SIMPLE”算法?？臻g離散方法：梯度為“Least Squares Cell Based”，壓力采用“Standard”，動(dòng)量采用二階迎風(fēng)離散，其它都采用一階迎風(fēng)離散。

3 模擬結(jié)果及分析

以往對非貯壓手持式滅火器的氣固兩相流研究，局限于檢測條件的不足，主要通過試驗(yàn)觀測的方法，對滅火劑的射流形態(tài)與滅火器的滅火效能進(jìn)行分析。通過氣固兩相流的數(shù)值模擬，可以對滅火劑顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有一個(gè)更深的認(rèn)識(shí)。

從圖4器筒豎直截面上的氣體速度矢量圖可以看出，動(dòng)力源氣體進(jìn)入器筒后，與超細(xì)干粉滅火劑顆?；旌希跍缁饎╊w粒間流動(dòng)，給予了滅火劑顆粒一定的動(dòng)量。氣固兩相流在中軸線上的運(yùn)動(dòng)最為激烈，大體向著噴口方向運(yùn)動(dòng)。除此之外，流體在器筒壁面上發(fā)生碰撞，反彈后加劇了顆粒間碰撞運(yùn)動(dòng)，在局部形成更無序的狀態(tài)，破壞了兩相流體向噴口處運(yùn)動(dòng)的軌跡[8]。由圖5流場中的氣體速度矢量圖可以看出，氣體裹挾了滅火劑粉體從噴口噴出后，在空氣中做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，當(dāng)擴(kuò)散到最大狀態(tài)后，氣體原本具有的動(dòng)量耗散干凈，開始做分子熱運(yùn)動(dòng)。

圖4 筒體豎直截面上氣體速度矢量圖

圖5 流場中的氣體速度矢量圖

圖6 滅火劑顆粒速度流線圖

由圖6滅火劑顆粒的速度流線圖可以看出，滅火劑顆粒在噴射過程中，射流中心的集束性非常強(qiáng)。這樣不利于超細(xì)干粉滅火劑的散布，覆蓋不到足夠的面積，使滅火劑在某一小區(qū)域過于集中，降低了其他區(qū)域的滅火劑顆粒濃度，以至于達(dá)不到預(yù)期的滅火效能。整個(gè)模擬過程中滅火劑顆粒的噴射持續(xù)時(shí)間為1.07s，與實(shí)際噴射持續(xù)時(shí)間1.13s非常接近，兩者相差4.4%，說明仿真結(jié)果與試驗(yàn)很相近，在可接受誤差范圍之內(nèi)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)過程中，在噴口處設(shè)置一塊黑色幕布作為背景，幕布上每隔1m有一條黃色標(biāo)示帶，用以提高射流分辨程度。將非貯壓手持式滅火器氣固兩相流模擬得到的滅火劑顆粒散布圖與高速攝影機(jī)拍攝到的滅火器試驗(yàn)噴射圖進(jìn)行比較，如圖7所示。

在非貯壓手持式滅火器啟動(dòng)后，產(chǎn)氣發(fā)生器反應(yīng)生成熱氣溶膠氣體并送入器筒內(nèi)，氣體積蓄并產(chǎn)生壓力，當(dāng)壓力突破噴口薄膜所能承受的壓力值后，氣體裹挾著超細(xì)干粉滅火劑噴射而出。在外部大氣阻力和內(nèi)部氣流推動(dòng)的作用下，滅火劑射流的邊界產(chǎn)生了湍流運(yùn)動(dòng)，邊界變得不穩(wěn)定，并形成“羽流現(xiàn)象”。當(dāng)滅火劑粉體的動(dòng)量越來越小，直至消耗完畢后，射流前端的滅火劑顆粒主要被空氣攜帶著隨之流動(dòng)，受氣粉兩相流體的后續(xù)推動(dòng)以及滅火劑顆粒的分子運(yùn)動(dòng)而繼續(xù)向前擴(kuò)散。根據(jù)模擬射流與試驗(yàn)射流之間的比較，兩者有近似相同的流體形態(tài)變化。因而，對非貯壓手持式滅火器的氣固兩相流仿真具有可信性，可以作為下一步研究的方法和手段。

5 結(jié)語

本文應(yīng)用FLUNET軟件實(shí)現(xiàn)了非貯壓手持式滅火器的氣固兩相流場模擬，通過氣體速度矢量圖和顆粒速度流線圖，分析了兩相流體在筒體內(nèi)和外的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。結(jié)合高速攝影機(jī)采集的滅火劑顆粒射流圖像，說明了仿真與試驗(yàn)的吻合程度較高，用仿真模擬代替試驗(yàn)研究的方法是可行的，為下一步研究提出新的研究方法和思路。

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Numerical Simulation of Gas Solid Two Phase Flow in A Non Storage Pressure Hand Held Fire Extinguisher

CAO Shu-hua，ZHUANG Hong-wei，YU Peng-fei

（Engineering University of PAP, Xi’an, 710086）

Based on the study of gas-solid two-phase flow of the non pressure storage portable fire extinguisher, the gas velocity vector and particle velocity streamlines were applied to analyze the motion state of two-phase flow in and out of the cylinder body, by numerical simulation based on Flunet simulation software, as well as the correctness of the simulation results were verified by test. It showed that the results of simulation are accordance with that of test, which provide theoretical guidance for structure optimization of fire extinguisher.

Fire extinguisher；Gas-solid two-phase flow；Simulation；Test

1003-1480（2017）02-0049-04

TQ567.9

A

2017-02-28

曹書華（1992 -），男，在讀碩士研究生，主要從事非致命武器研究。