典型機(jī)艙1301滅火系統(tǒng)管網(wǎng)流速及濃度分布仿真計算

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(1.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；2.國家水運安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063)

1982年馬島戰(zhàn)爭中英國“謝菲爾德”號驅(qū)逐艦的沉沒，使得各國都注意到了船舶火災(zāi)的特殊性和防止船舶發(fā)生火災(zāi)的重要性[1]。鹵代烷1301滅火系統(tǒng)一般有2個研究方向：①鹵代烷1301的毒性對人體的影響，在這方面，國外做了大量的試驗和報導(dǎo)；②滅火劑在管道內(nèi)的兩相流動，包括管道壓降和噴射時間的計算。

有學(xué)者對鹵代烷1301在管道內(nèi)的流動進(jìn)行了分析，指出計算管道壓降的關(guān)鍵在于管道內(nèi)滅火劑密度隨壓力的變化關(guān)系[2]。哈龍的設(shè)計計算是為了給防護(hù)區(qū)提供規(guī)定的滅火劑濃度，論述了溫度、壓力和兩相流對哈龍1301在管道中的流動狀態(tài)的影響[3]。有學(xué)者做了大量鹵代烷1301滅火系統(tǒng)釋放的試驗，記錄了管道壓力、噴嘴流量、噴射時間等重要參數(shù)[4]。以飛機(jī)上的鹵代烷1301滅火系統(tǒng)為對象，利用FLUENT軟件對滅火劑的流動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明，管徑對于滅火劑的釋放影響很大[5]。

盡管軍事領(lǐng)域并不屬于禁止使用哈龍滅火劑的規(guī)定場所，但國家政令的頒布使得國內(nèi)消防學(xué)者對于1301滅火系統(tǒng)的設(shè)計、1301滅火劑在管道內(nèi)的流動特性等方面的研究越來越少。有學(xué)者從理論上推導(dǎo)出鹵代烷1301管道壓降的計算公式，在隨后發(fā)表的論文中介紹了不同種類的1301滅火系統(tǒng)，并根據(jù)1301滅火劑的流動特性，提出了管路布置方法，供設(shè)計人員參考[6-7]。文獻(xiàn)[8]詳細(xì)論述了船用1301滅火系統(tǒng)的設(shè)計和比較實用的管網(wǎng)水力計算方法，并給出了圖表與數(shù)據(jù)，方便設(shè)計者參考選取，還指出，船用1301滅火系統(tǒng)在噴射終了時，儲液瓶內(nèi)的驅(qū)動氣體壓力不應(yīng)低于1.5 MPa，且進(jìn)行管路設(shè)計計算時的噴嘴壓力應(yīng)不小于1.4 MPa。文獻(xiàn)[9]對鹵代烷1301進(jìn)行了噴射試驗研究，對防護(hù)區(qū)(航天器)內(nèi)的溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行了測量。

文獻(xiàn)[10]對常見的7種氣體滅火系統(tǒng)進(jìn)行了比較，并結(jié)合各自特點，對如何選擇合適的氣體滅火系統(tǒng)做了比較詳細(xì)的分析。文中指出，雖然我國在2010年之后不再生產(chǎn)1301滅火劑，但并不表明將會停止1301滅火劑的使用，建議不要盲目地采用替代的滅火劑而減少1301滅火劑的使用，因為這樣會降低某些必要場所(如飛機(jī)、艦船等)的消防能力[11]。

從上述研究中可以發(fā)現(xiàn)，目前針對鹵代烷1301的管網(wǎng)壓力計算方法主要為實驗和理論推導(dǎo)，隨著數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值仿真(CFD)的大規(guī)模應(yīng)用，探索采用CFD方法研究管網(wǎng)內(nèi)壓降將是以后研究的主要方向。機(jī)艙作為船舶火災(zāi)案例的重要防護(hù)對象[12]，建立典型機(jī)艙管網(wǎng)物理模型，構(gòu)建了高精度結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用Fluent平臺進(jìn)行數(shù)值仿真計算，得到管網(wǎng)流速和滅火劑密度在不同儲壓罐壓力情況下的分布規(guī)律。

1 鹵代烷1301滅火系統(tǒng)

鹵代烷1301滅火系統(tǒng)是氣體滅火系統(tǒng)的一種，以在常溫、常壓下呈現(xiàn)氣態(tài)的鹵代烷1301作為滅火介質(zhì)，通過氣態(tài)鹵代烷1301在整個防護(hù)區(qū)內(nèi)或保護(hù)對象周圍的局部區(qū)域建立起滅火濃度實現(xiàn)滅火。

1.1 鹵代烷1301的理化性能

鹵代烷1301屬于烷烴類有機(jī)化合物，是哈龍滅火劑的一種。1301這4個數(shù)字分別代表烷烴分子中碳、氟、氯、溴各原子的個數(shù)，其分子式為CF3Br，名稱為三氟一溴甲烷。在常溫常壓下，鹵代烷1301是一種無色無味的氣體，屬于易液化氣體型滅火劑，其主要物理性質(zhì)見表1[13]。

表1 鹵代烷1301的主要物理性質(zhì)

鹵代烷1301是一種能夠用于撲救多種類型火災(zāi)的有效滅火劑，具有滅火快、不導(dǎo)電、耐貯存、腐蝕性小、毒性較低、滅火后不留痕跡等優(yōu)點，其優(yōu)良滅火性能使得鹵代烷1301滅火系統(tǒng)在上個世紀(jì)末已廣泛應(yīng)用于圖書、檔案、美術(shù)、文物等大量珍貴資料的庫房、散裝液體庫房、電子計算機(jī)房、通訊機(jī)房、變配電室等場所。

1.2 鹵代烷1301噴射特性

1)瓶內(nèi)氣體的膨脹。鹵代烷1301在儲液瓶中呈液態(tài)保存，但僅靠鹵代烷1301的蒸氣壓無法在規(guī)定的時間內(nèi)將大部分滅火劑輸送到防護(hù)區(qū)，需要利用氮氣將滅火劑加壓儲存。系統(tǒng)未運行時，瓶內(nèi)的氮氣與液態(tài)滅火劑處于氣液平衡狀態(tài)，瓶內(nèi)氣相區(qū)為氮氣和1301蒸氣的混合氣體。一旦火災(zāi)發(fā)生，閥門打開，滅火劑在高壓氣體的推動下進(jìn)入管網(wǎng)，此時儲液瓶內(nèi)的氣體膨脹，壓力下降，少量1301蒸發(fā)，液態(tài)滅火劑中溶解的氮氣分離出來；當(dāng)液態(tài)滅火劑全部噴入管網(wǎng)中后，瓶內(nèi)氣體的壓力依舊很高，氣體繼續(xù)膨脹并進(jìn)入管網(wǎng)；大部分滅火劑噴出系統(tǒng)后，氣體通過噴嘴噴出。

2)管道中滅火劑的流動。由于滅火劑的物理特性，其在管網(wǎng)中的流動很復(fù)雜。鹵代烷1301滅火劑在平時加壓儲存在儲液瓶內(nèi)，發(fā)生火災(zāi)時被施放到管網(wǎng)中經(jīng)噴嘴噴射入防護(hù)區(qū)進(jìn)行滅火。在常溫下，鹵代烷1301滅火劑具有較高的蒸氣壓，21 ℃時其蒸氣壓達(dá)1.47 MPa，在常溫常壓下，鹵代烷1301極易汽化。鹵代烷1301在管道中流動需要克服沿程損失及局部阻力損失，管段內(nèi)的壓力是不斷下降的，壓力的降低，使得鹵代烷1301迅速地汽化而膨脹，造成流量迅速減小。此外，用氮氣加壓會使部分氮氣溶解到液態(tài)鹵代烷1301中，氮氣的溶解量與其壓力和溫度有關(guān)，壓力增高則溶解量增加。在施放鹵代烷1301的過程中，由于壓力不斷下降，溶于液態(tài)鹵代烷1301中的氮氣會部分分離出來。

2 數(shù)值計算

2.1 設(shè)計參數(shù)與邊界條件

考慮到文中的算例有射流的情況，并且為變截面管道內(nèi)流動，流動過程有二次流產(chǎn)生，采用Realizablek-ε模型較為合理。

實際工程中，管段中的流體包括液態(tài)鹵代烷1301、氣態(tài)鹵代烷1301以及從溶液中分離出來的氮氣，因此滅火劑流動呈兩相流動。對于兩相管流，目前的流體仿真軟件并不能準(zhǔn)確計算出真實結(jié)果，對于有蒸發(fā)現(xiàn)象的兩相管流更加困難，須對物理問題進(jìn)行簡化。對于滅火劑管網(wǎng)流量分配特性的研究，只需關(guān)注各管段的流量，而不需要關(guān)注管道中氣液兩相的流動細(xì)節(jié)，將此問題簡化為液態(tài)鹵代烷1301在管道中的單相流動。

計算中使用的計算參數(shù)包括液態(tài)鹵代烷1301的密度及黏度，其數(shù)值可從規(guī)范中查得，見表2。為加速收斂，使用質(zhì)量流量入口邊界條件，入口流速為60 kg/s(該值為設(shè)計平均流量)，出口(噴嘴處)使用壓力出口邊界條件，出口壓力為100 kPa。液態(tài)鹵代烷1301的密度較大，因此考慮重力。

表2 液態(tài)鹵代烷1301計算參數(shù)

2.2 幾何模型和網(wǎng)格模型

圖1為后機(jī)艙爐艙管網(wǎng)的幾何模型，圖中的1、2、3點分別是主管道在第二層的分流三通、第三層主管的分流三通和管道與噴嘴的連接處，其網(wǎng)格局部放大圖見圖2。

圖1 后機(jī)爐艙管網(wǎng)整體模型

圖2 管網(wǎng)細(xì)節(jié)處網(wǎng)格局部

對于圓形管道，為提高網(wǎng)格質(zhì)量，需要對所有block進(jìn)行O-block劃分，管網(wǎng)進(jìn)口處和噴嘴處的O-block生成的網(wǎng)格見圖3。

圖3 管網(wǎng)O型網(wǎng)格示意

網(wǎng)格總數(shù)約為200萬，網(wǎng)格質(zhì)量方面，使用QUALITY算法，其質(zhì)量達(dá)到0.4以上，遠(yuǎn)超過商業(yè)流體軟件的0.1下限。

3 計算結(jié)果

3.1 管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力分布

圖4為管道內(nèi)的壓力分布，可以看到第一層管道距離儲壓瓶最近，內(nèi)部的壓力最大，每通過一個交叉口后，管道內(nèi)的壓力均有明顯降低。從圖中可以看出，最大壓力為449.01 kPa；管道流動中出現(xiàn)了負(fù)壓，這是液體單相流動的正?，F(xiàn)象，在彎管或三通處會出現(xiàn)繞流，出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。在滅火劑沿管網(wǎng)流動的過程中，由伯努利方程可知，管道壓力轉(zhuǎn)化為滅火劑的流速，因此壓力沿管道越來越低。

圖4 管道流動壓力分布云圖

3.2 管道流動的速度分布

圖5為滅火劑在管網(wǎng)流動的速度分布云圖，圖6為三通點1、2、3、4云圖及流線的局部放大圖。整個管網(wǎng)最大流速約為20 m/s，與壓力分布不同，沿著流動方向，滅火劑的流速并不一定一直增加，雖然管徑越來越小，但由于三通分流，各管段的流量也在不斷減小。

圖5 管道流動速度分布云圖

1點為三通處物理模型對稱，但速度云圖及流線并不完全對稱，因為來流方向的管段過短，只有0.6 m，使得來流滅火劑的速度方向并不與管段平行，造成了側(cè)管速度云圖及流線的不對稱性；2點為主管道第一次三通分流，分流后管徑減小，直管與側(cè)管的滅火劑流速均增大，由于慣性的作用，側(cè)管內(nèi)靠直管一側(cè)的滅火劑流速較大；3點為第三層管網(wǎng)主管的三通分流，從流線可以看出，三通處出現(xiàn)明顯的二次流，兩側(cè)出現(xiàn)漩渦，流體呈湍流狀態(tài)，是三通處壓力降低較快的原因，在水力計算中，計算壓降時必須加上管段附件引起的局部阻力壓損；4點為三通的側(cè)管管段10-18，從圖6中可見，管徑的減小使得滅火劑流速增大，但側(cè)管的分流作用使得滅火劑流速減小。

圖7為典型位置流線，3點附近管道內(nèi)滅火劑出現(xiàn)二次流，在分叉位置出現(xiàn)了明顯渦結(jié)構(gòu)。

圖6 管網(wǎng)三通處的速度云圖及流線圖

圖7 典型位置流線

圖8 第二層管段的速度云圖

圖8為第二層管網(wǎng)速度分布云圖，圖9為第三層管網(wǎng)速度分布云圖。第二層管網(wǎng)內(nèi)滅火劑最大流速為14.69 m/，第三層管網(wǎng)內(nèi)滅火劑最大流速為20.59 m/s。在分流三通和噴嘴與管段的連接處，有一小段管段上的滅火劑流速較大，由于管徑的減小使得滅火劑流速增大；由于側(cè)管或噴嘴的分流，滅火劑流速減小。

圖9 第三層管段的速度云圖

3.3 各管段流量的結(jié)果分析

在CFD-POST中取每個管段截面上的質(zhì)量流量，并與各管段設(shè)計流量相比較，其值見表3。其中相對誤差為(計算流量-設(shè)計流量)/設(shè)計流量×100%，其值為正說明計算流量大于設(shè)計流量，其值為負(fù)則計算流量小于設(shè)計流量。從表3中可以看出，除管段10-18以外，各管段流量的相對誤差值均在5%之內(nèi)，對于工程問題，誤差值在允許的范圍之內(nèi)，說明各管段管徑的選取較為合理；管段10-18的計算流量為4.39 kg/s，比設(shè)計流量(4 kg/s)大9.65%，在實際工程中可以減小該管段的管徑，以減小流量。

3.4 管道內(nèi)壓力與流體密度的關(guān)系

管道內(nèi)流動的滅火劑密度與管道壓力有關(guān)，圖10為不同貯存壓力和不同充裝密度下，滅火劑密度與管道壓力的曲線圖。

表3 各管段設(shè)計流量與計算流量值的比較

圖10 不同管道壓力下滅火劑的密度

1)相同貯存壓力下，充裝密度越大，一定管道壓力對應(yīng)的滅火劑密度越大，因為充裝密度越大，液態(tài)滅火劑中溶解的氮氣量就越少。

2)相同充裝密度下，貯存壓力越大，一定管道壓力對應(yīng)的滅火劑密度越小，因為貯存壓力越大，液態(tài)滅火劑中溶劑的氮氣量就越多。

4 結(jié)論

建立后機(jī)爐艙管網(wǎng)的三維物理模型，計算后機(jī)爐艙滅火系統(tǒng)設(shè)計流量工況下液態(tài)鹵代烷1301在管網(wǎng)內(nèi)的流動，得出整個管網(wǎng)的壓力及速度分布云圖，利用CFD-POST計算各管段的流量，并與設(shè)計流量作比較。計算結(jié)果表明，管段10-18的計算流量比設(shè)計流量稍大，在實際過程中應(yīng)當(dāng)減小該管段的管徑以減小流量；其他管段的計算流量與設(shè)計流量偏差不大，其誤差值在允許的范圍之內(nèi)，說明各管段管徑的選取較為合理。