基于射流沖擊霧化原理的噴頭設計及性能試驗分析

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(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015)

彈藥艙作為艦船戰(zhàn)略物資貯存的重要部位，是易燃易爆的高危場所。當艙內溫度異常將要發(fā)生火災或已經發(fā)生火災時，能否快速高效降溫、滅火將直接影響艦船的生命力和戰(zhàn)斗力。細水霧滅火技術具有高效的汽化降溫效果，而且細水霧能將火源包圍，具有隔氧窒息、阻止熱輻射、防止熱擴散的作用，因此其滅火降溫效果優(yōu)于傳統(tǒng)滅火技術，并具有高效、環(huán)保、無污染等特點[1-2]。

噴頭安裝在噴淋系統(tǒng)各分支管路上，是實現(xiàn)細水霧技術的關鍵核心部件，其性能參數(shù)直接決定了細水霧的霧化質量及噴淋效果，并可最大限度發(fā)揮系統(tǒng)的整體功效。常用的霧化噴頭的噴嘴型式有機械式、氣動式、旋轉式及組合式等，采用的霧化方法主要有高壓強力式霧化、雙流體混合式霧化、旋流式復合霧化、離心式霧化等[3-4]。以上各型霧化噴頭依靠噴頭結構設計或借助系統(tǒng)高壓等都可取得不錯的霧化效果，但也存在著結構復雜、價格昂貴、對水質要求高等缺點。

文中選取噴頭作為研究對象，以流體力學和動力學理論為指導，結合液體霧化機理對快速噴頭進行結構設計，并搭建試驗系統(tǒng)對其性能特性進行驗證，對比分析結構參數(shù)及外界因素對霧化效果的影響，為噴頭設計選型及細水霧滅火系統(tǒng)的研究提供參考。

1 噴頭結構設計及霧化原理

在傳統(tǒng)機械式噴頭的基礎上，設計一種基于射流沖擊霧化原理的噴頭，其外形結構見圖1。該噴頭主要由噴頭體、噴頭座、密封墊片三部分組成，噴頭體與噴頭座焊接后，加裝密封墊片安裝在噴淋管系上。噴頭體為階梯狀圓柱形中空結構，沿圓周方向在相鄰兩段階梯圓柱的外圓、端面上分別均勻開有多個小直徑的射流孔，射流孔軸線與其基面垂直。噴淋系統(tǒng)啟動后，管內水流在系統(tǒng)壓力下從各射流孔快速噴出，高速射流沿外圓、端面法向兩兩交叉沖擊對撞后離散分離破損形成霧化液滴，因此將其定義為周向射流沖擊結構。該噴頭共設計了上、中、下3組射流沖擊結構，下組端面與外圓切面垂直使該組射流孔呈直角對射，同時為了使霧粒在空間內均勻分布實現(xiàn)好的霧化效果，將另外兩組端面加工為斜面，使其射流孔呈銳角對射。該霧化噴頭具有結構簡單、安裝方便、成本低、對水質要求低等優(yōu)點。

圖1 射流沖擊霧化噴頭

2 噴頭性能試驗

2.1 噴頭性能測試原理

為驗證噴頭的霧化性能及結構參數(shù)對霧化效果的影響，選取3個噴頭作為試驗對象，分別將其命名為1#、2#、3#噴頭。3個噴頭的射流孔數(shù)量相同，2#與3#的射流孔徑相同且都為1#孔徑的1.5倍，1#與2#噴頭的入口孔徑相同且都為3#噴頭的70%。

霧滴粒徑、霧滴速度、噴霧角、噴淋強度、平面作用半徑等是衡量噴頭霧化性能的重要參數(shù)[5-6]，其試驗系統(tǒng)測試原理見圖2a)。研究表明，噴頭位于火源的正上方時細水霧的滅火效果最好[7-8]，因此將噴頭噴口朝下垂直安裝在試驗管路上，直接連接自來水系統(tǒng)作為試驗用水，通過手動閥或電磁閥來控制噴水的啟閉，并用溢流閥來調節(jié)供水壓力，流量計和壓力表可實時顯示噴頭入口流量和壓力。激光發(fā)射器和接收器作為激光粒度測試儀的兩個主要部件，分別置于噴頭下方1 m處噴水霧場的兩側，直接采集或通過計算機軟件處理來形成試驗數(shù)據(jù)。噴頭流量、射程等參數(shù)測量試驗回路見圖2b)。噴頭為水平安裝，距地面的垂直距離為1 m。

圖2 噴頭性能測試系統(tǒng)原理

2.2 噴頭性能測試方法

試驗壓力為噴頭入口壓力，根據(jù)艦船實際情況選取壓力區(qū)間為0.1～1.0 MPa，并間隔0.1 MPa進行測量。

2.2.1 霧化性能測量

1)將噴頭安裝在試驗管系上，打開激光粒度儀并調好光譜曲線，啟動系統(tǒng)并按試驗壓力間隔逐級調節(jié)噴頭入口壓力，記錄霧粒大小及其分布，用高速攝像機測量霧滴速度，并用照相機取樣拍攝噴霧情況，多次測量求取平均值。

2)更換噴頭，重復上述操作進行測量。

2.2.2 流量和射程測量

1)將噴頭安裝在試驗管系上，噴頭距離地面高度1 m，啟動系統(tǒng)并按試驗壓力間隔逐級調節(jié)噴頭入口壓力，待穩(wěn)定后記錄流量值，用卷尺測量噴頭射程，記錄數(shù)據(jù)，多次測量求取平均值。

2)更換噴頭，重復上述操作進行測量。

3 試驗結果及數(shù)據(jù)分析

3.1 壓力-流量特性分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)作出噴頭的壓力-流量特性曲線，見圖3。3個噴頭的開啟壓力都為0.15 MPa左右(壓力低于該值時流量小且不穩(wěn)定)，流量隨著壓力升高而增大，出口孔徑越大則流量增加越明顯；相同壓力下，噴頭出口孔徑越大則流量越大；壓力和出口孔徑相同情況下，入口孔徑越大則流量越大，但對流量的影響較小。

圖3 壓力-流量特性曲線

3.2 霧滴粒徑及其分布規(guī)律分析

液體在高壓下被噴射入空氣中，由于內外部力的相互作用，連續(xù)的液柱分裂破碎，成為形狀各異的離散團塊。研究水從噴頭噴出后形成的霧滴粒徑大小及其分布規(guī)律，對探索霧滴破碎原理有著重要作用，同時也是衡量霧化質量的重要指標。

霧滴粒徑及其分布可由激光粒度測試儀測量并進行分析計算，分別用SMD、D(V，0.9)、D(V，0.99)3個指標表示：SMD為霧滴平均粒徑，D(V，0.9)、D(V，0.99)則分別表示重量占比為90%、99%的霧滴粒徑最大值。各噴頭的SMD、D(V，0.9)、D(V，0.99)3個指標與壓力的關系曲線見圖4，圖5為3#噴頭霧滴粒徑隨壓力的變化曲線。

圖4 霧滴粒徑隨壓力的變化曲線

圖5 3#噴頭霧滴粒徑隨壓力的變化曲線

由圖4、5可見，無論從平均值還是從絕對占比方面衡量，霧滴粒徑都隨供水壓力增大而減小。在試驗壓力較低(0.15～0.4 MPa)時，粒徑分布范圍較寬，隨著壓力升高，霧滴粒徑降低速度較快且分布范圍趨窄；當試驗壓力較高(0.4 MPa以上)時，霧滴粒徑更小且其分布范圍更窄，但壓力對其影響并不明顯。由于低壓階段的液滴直徑較大且流速較小，隨著壓力升高，射流相對于空氣的速度增大，射流高速沖擊使液滴容易分裂形成更加細小的霧滴。在壓力較高時，霧滴體積已較小，重量輕且空氣阻力小，再增加壓力對霧滴直徑減小的影響較小。

當入口壓力小于0.4 MPa時，噴頭射流孔徑越小則霧化效果越好，各噴頭的霧滴平均粒徑均小于100 μm，且重量占比為99%的粒徑均小于200 μm。根據(jù)美國消防委員會標準NFPA 750中對細水霧的定義和分級[9]，3個噴頭都已達到一級細水霧的霧化標準，而1#噴頭在入口壓力為0.3 MPa時即可滿足該標準。當入口壓力大于0.6 MPa時，噴頭射流孔徑對霧化性能的提升幾乎沒有影響。

3.3 霧滴速度及噴頭射程特性分析

噴頭霧化是能量對液體作用的結果，壓力能通過克服摩擦阻力、液體表面張力、黏性力后轉換成液滴動能。將噴頭安裝在距地面1 m的位置，觀察霧團消失的位置，在噴射方向的側面，用帶有長度計量標記的標志物(如卷尺)來指示水平距離，對噴射距離目測有困難，也可用輔助手段，如用干粉的收集和用于液化氣體的凝霧盤等。見圖6。

圖6 射程測試原理示意

圖7為射程隨壓力的變化曲線。由圖7可見，噴頭射程隨壓力升高而增大，在相同壓力下，噴頭射流孔徑越大則射程越遠，與噴頭的入口孔徑關系不太明顯。圖8為霧滴速度隨壓力的變化關系。由圖8可見，霧滴速度隨壓力升高而增大，相同壓力下噴頭出口孔徑越小則速度越大，與噴頭入口孔徑沒有明顯關系。

圖7 射程隨壓力的變化曲線

圖8 霧滴速度隨壓力的變化關系

3.4 噴霧角及平面作用半徑特性分析

噴頭的噴霧呈圓錐狀，噴霧角α是指以噴頭的出口為頂點，至噴霧外包絡線的兩條切線之間的夾角(見圖9)，其平面作用半徑R為距噴頭1 m處的圓形截面半徑，噴霧照相后用計算機軟件進行量取。

圖9 噴霧角測量示意

圖10為噴霧角隨壓力的變化曲線，圖11為平面作用半徑隨壓力的變化關系。由圖10、11可見，噴霧角、平面作用半徑隨壓力的升高呈波浪狀無規(guī)律變動，但數(shù)值幾乎保持不變。相同壓力下，噴頭的射流孔徑越小，噴霧角及平面作用半徑越大；壓力和射流孔徑相同情況下，平面作用半徑隨入口孔徑擴大而降低。因此，噴霧角及平面作用半徑與壓力無關，只與噴頭的射流孔徑和入口壓力有關。

圖10 噴霧角隨壓力的變化曲線

圖11 平面作用半徑隨壓力的變化關系

4 試驗結果分析

通過對3個不同參數(shù)噴頭的霧化性能、流量、射程等參數(shù)進行試驗分析，可以看出基于射流沖擊霧化原理噴頭有以下的特點。

1)霧滴速度、噴頭射程和流量都隨著入口壓力升高而增大，霧滴粒徑隨壓力升高而降低，粒徑分布范圍隨壓力升高而趨窄，噴霧角和平面作用半徑與壓力沒有明顯關系。

2)霧滴粒徑、噴頭射程和流量都隨噴頭射流孔徑減小而降低，霧滴速度、噴霧角和平面作用半徑隨噴頭射流孔徑減小而增大。

3)入口孔徑對噴頭性能影響較小。

4)可以在較低壓力下，取得較好的霧化效果。

噴頭射流孔徑小且入口壓力較高時，霧化性能比較理想。在選用小射流孔徑噴頭后，應盡量減少系統(tǒng)沿程壓力損失和局部壓力損失，用提高噴頭入口壓力來提升其霧化效果[10-12]。

5 結論

試驗分析結果表明，設計的基于射流沖擊霧化原理的噴頭具有良好的霧化性能，其性能由入口壓力和射流孔徑決定，與入口孔徑無關，在試驗壓力達到0.3 MPa時可達到一級細水霧的標準，可直接從艦船消防總管取水，無需額外增壓。鑒于參試噴頭數(shù)量及所選參數(shù)的局限性，試驗分析及結果可為細水霧滅火系統(tǒng)的噴頭設計及選型提供參考，實際應用中還需考慮材料腐蝕及孔徑堵塞等因素，噴頭的射流孔徑不能太小。因此，噴頭的最小射流孔徑試驗驗證及霧化性能優(yōu)化、系統(tǒng)管路布局及滅火效能分析等將是今后研究的重點。