壓縮空氣泡沫在長(zhǎng)距離管路輸送中壓降的數(shù)值模擬

張佳慶,黃 勇,周亦夫,過 羿,黎昌海,黃玉彪

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院,合肥,230601;2.電力火災(zāi)與安全防護(hù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥,230022;3.國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)施火災(zāi)防護(hù)實(shí)驗(yàn)室,合肥,230022;4.國(guó)家電網(wǎng)有限公司,北京,100031;5.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥,230026)

0 引言

特高壓直流輸電技術(shù)憑借其輸電距離遠(yuǎn)、輸電容量大、電能耗損小等特點(diǎn)已在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。然而特高壓變壓器等充油設(shè)備一旦發(fā)生火災(zāi),火勢(shì)發(fā)展迅猛,火災(zāi)規(guī)模大,傳統(tǒng)水噴霧滅火系統(tǒng)無法達(dá)到有效滅火的目的。

壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng),簡(jiǎn)稱CAFS,是將一定比例的壓縮空氣引入加壓泡沫混合物中,混合后產(chǎn)生滅火泡沫,然后通過管道輸出。由于其較好的滅火性能且能有效撲救B類火災(zāi)[1,2],已廣泛應(yīng)用于特高壓變壓器等特殊滅火場(chǎng)景中。CAFS的滅火效率比常見的水滅火系統(tǒng)高10倍以上[3],且泡沫在前端主機(jī)部分產(chǎn)生,在火災(zāi)中受高溫、煙氣、爆燃等不利因素影響較小。同時(shí),壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)可以將壓縮空氣泡沫進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送,避免了爆炸損毀的問題,壓縮空氣泡沫在長(zhǎng)距離管路輸送中壓降的研究,利于預(yù)測(cè)管道與消防炮連接端的壓力值,達(dá)到超遠(yuǎn)距離滅火。

目前,國(guó)內(nèi)外如對(duì)壓縮空氣泡沫在管內(nèi)的流動(dòng)特性已有部分研究,如陳旸等[4]對(duì)壓縮空氣泡沫在管網(wǎng)中的輸送進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,探討了泡沫輸送流量對(duì)管道摩擦阻力損失的影響,發(fā)現(xiàn)在泡沫輸送過程中,管道內(nèi)的壓力和壓力損失隨著泡沫流量的增加而增加。此外,壓縮空氣泡沫在管道內(nèi)流動(dòng)的數(shù)值模擬大都集中于100 m以內(nèi)距離[5,6]的管道。林全生等[5]對(duì)壓縮空氣泡沫在短距離管道中的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究發(fā)現(xiàn)管路的出口壓力隨著流量增大而增加,同時(shí)在不同的測(cè)壓點(diǎn)也具有相同的趨勢(shì)。

以上研究主要針對(duì)短距離管道內(nèi)壓縮空氣泡沫的輸送特性,對(duì)長(zhǎng)距離管道中壓縮空氣泡沫輸送的研究較少。徐學(xué)軍[7]進(jìn)行了大量全尺寸實(shí)驗(yàn),對(duì)AFFF壓縮空氣泡沫在實(shí)際消防管網(wǎng)中的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究,開展了壓縮空氣泡沫在1 000 m超長(zhǎng)水平管道內(nèi)輸運(yùn)的實(shí)體實(shí)驗(yàn),分析典型因素對(duì)管網(wǎng)壓力衰減的影響。

然而對(duì)壓縮空氣泡沫在100 m以上的長(zhǎng)距離管路輸送中的壓降數(shù)值模擬研究相對(duì)較少,且管長(zhǎng)、管徑等對(duì)長(zhǎng)距離管道內(nèi)壓降的影響需要進(jìn)一步探究。

因此,基于Fluent軟件,本文對(duì)400 m長(zhǎng)距離管道中壓縮空氣泡沫的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,并分析了管道直徑尺寸對(duì)壓降變化的影響,探討了不同AFFF壓縮空氣泡沫原液濃度對(duì)管內(nèi)流動(dòng)影響的規(guī)律。

1 數(shù)值模擬計(jì)算方法

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

選擇直徑分別為50 mm、65 mm和80 mm的管道模型,管道長(zhǎng)度尺寸均為400 m,如圖1所示。采用Gambit軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其中為了符合黏性影響區(qū)流體流動(dòng)求解要求,將壁面的網(wǎng)格進(jìn)行加密[8],如圖2所示。

圖1 管道物理模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pipeline physical model

圖2 幾何模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh division of geometric model

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)管道壓降進(jìn)行數(shù)值模擬前,首先進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,如圖3所示。隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,400萬網(wǎng)格之后,壓降幾乎不再變化。本文中選用600萬網(wǎng)格量進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖3 網(wǎng)格數(shù)量的無關(guān)性驗(yàn)證 Fig.3 Grid independence verification

1.3 數(shù)學(xué)模型

文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)中,泡沫液的流量控制為400 L/min,壓縮空氣泡沫流速較快,大都為湍流形式。在本文中,選擇了Spalart-Allmaras(S-A)模型來模擬管道內(nèi)泡沫的流動(dòng),該模型適用于雷諾數(shù)較低的湍流狀態(tài)[5]。計(jì)算選用SIMPLE算法。

基本控制方法包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和S-A方程。

連續(xù)性方程為：

(1)

式中,ρ——流體密度,kg/m3;

t——時(shí)間,s;

vx——x方向的流體流動(dòng)速度,m/s;

vy——y方向的流體流動(dòng)速度,m/s。

動(dòng)量方程為：

(2)

式中,p——流體流動(dòng)靜壓,Pa;

ui,uj——速度張量,m/s;

τij——應(yīng)力張量,Pa;

ρgi——i方向上重力體積力,N;

Fi——i方向上外部體積力,N;

xi,xj——坐標(biāo)張量。

(3)

Y——壁面阻擋和黏性阻尼產(chǎn)生的湍流粘性的減少項(xiàng),kg/(m3·s);

G——湍流黏性產(chǎn)生項(xiàng),kg/(m3·s)。

1.4 邊界條件的設(shè)定

管道模型的入口為速度進(jìn)口,用AFFF泡沫的流量值進(jìn)行速度換算,流量為400 L/min,入口壓力為1 MPa,管道的出口為壓力出口。壁面的邊界條件設(shè)為無滑移邊界條件。

1.5 管道截面的建立

分別在長(zhǎng)輸管道的100 m、200 m、232 m、300 m和400 m處建立截面,獲得截面處壓力,以此探求壓縮空氣泡沫在長(zhǎng)輸管道內(nèi)的壓降變化特性。

2 流形的假設(shè)

泡沫滅火劑根據(jù)泡沫濃縮物的不同成分可分為蛋白質(zhì)型和合成型[9,10],本文選用合成型的AFFF泡沫,其具有滅火效率高和封閉性能好等優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)過發(fā)泡處理后的氣泡含氣量大于80%,泡沫形態(tài)類似彌散流[11],因?yàn)楣艿纼?nèi)的泡沫流動(dòng)是充分發(fā)展的,將其簡(jiǎn)化作單相流進(jìn)行計(jì)算。材料類型采用表觀粘度進(jìn)行表征,采用Herschel-Bulkley模型計(jì)算泡沫的表觀黏性系數(shù)[12]。計(jì)算方法如式(4)所示。

(4)

式中,τ0——剪切速率為零時(shí)的剪切應(yīng)力,Pa;

γ——剪切速率,s-1;

K——流變系數(shù)。

其中,由文獻(xiàn)[13]可得,參數(shù)γ取150 s-1。采用Balmforth等[14]定義屈服應(yīng)力的方法,得到泡沫的屈服應(yīng)力τ0為 1.5 Pa,并通過擬合剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變實(shí)驗(yàn)值得到參數(shù)K=1.19,n=0.383,由此可得泡沫表觀粘度為0.064 Pa·s。

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)選用設(shè)備為T5固定式壓縮空氣泡沫系統(tǒng),系統(tǒng)可以產(chǎn)生不同氣液比類型的壓縮空氣泡沫,氣液比的大小通過對(duì)泡沫混合液流量與空氣流量的比例進(jìn)行控制。在本文研究壓縮空氣泡沫的流動(dòng)特性時(shí),均設(shè)定氣液比為6∶1。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 長(zhǎng)輸管道內(nèi)壓降變化特性

對(duì)不同截面處的壓降進(jìn)行分析,管道中壓降伴隨距離的變化如圖4所示。隨著距離的增加,管道內(nèi)壓降均呈現(xiàn)線性變化,且隨著壓縮空氣泡沫的流動(dòng),壓降線性增大。以管徑80 mm的管道為例,壓縮空氣泡沫流動(dòng)到100 m處時(shí),其壓降為36 kPa,隨著流動(dòng)的進(jìn)行,當(dāng)輸送距離達(dá)到232 m時(shí),其壓降變?yōu)?7 kPa。400 m處的壓力最小,壓降進(jìn)一步增加,達(dá)到146 kPa。

圖4 管道內(nèi)壓降隨距離的變化Fig.4 Variation of pressure drop in tube with distance

將各管道模型的壓降進(jìn)行線性擬合,得到壓縮空氣泡沫壓降擬合曲線方程為：

ΔP1=k1m

(5)

式中,ΔP1——壓縮空氣泡沫壓降,kPa;

k1——壓縮空氣泡沫平均單位長(zhǎng)度壓降,kPa;

m——管道長(zhǎng)度,m。

壓降隨距離變化的擬合曲線方程如表1所示,不同管徑的管道壓降隨距離的增加均呈現(xiàn)線性增大。

表1 壓降擬合曲線方程Table 1 Pressure drop fitting curve equation

壓降擬合曲線的斜率為平均單位長(zhǎng)度壓降k1,其表示距離增加對(duì)壓降增大的影響程度。隨著距離的增加,不同管徑大小的管道壓降均呈現(xiàn)線性增大。且管徑大小影響平均單位長(zhǎng)度壓降k1,從表2可以看出,管道直徑越大,平均單位長(zhǎng)度壓降k1越小,即距離對(duì)壓降的影響程度越小。

表2 平均單位長(zhǎng)度壓力損失Table 2 Average unit length pressure drop

當(dāng)壓縮空氣泡沫在管內(nèi)流動(dòng)時(shí),管徑50 mm的管道,平均單位長(zhǎng)度壓降最大,為0.885 kPa/m,實(shí)驗(yàn)值為0.871 kPa/m;管徑65 mm的管道,平均單位長(zhǎng)度壓降為0.676 kPa/m,實(shí)驗(yàn)值為0.715 kPa/m;管徑80 mm的管道,平均單位長(zhǎng)度壓降為0.368 kPa/m,實(shí)驗(yàn)值為0.395 kPa/m,平均單位長(zhǎng)度壓降誤差均小于10%,在誤差允許范圍內(nèi)。

3.2 管徑對(duì)出口壓力及壓降的影響

壓降隨管徑的變化如圖5所示。隨著管徑的增大,相同距離處的壓降均呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì),以距離入口100 m處的位置為例,50 mm管徑的壓降為85 kPa,當(dāng)管徑增加至65 mm時(shí),其壓降變?yōu)?3 kPa,管徑增加至80 mm時(shí),壓降進(jìn)一步降低為36 kPa。

圖5 不同管徑壓降隨距離的變化Fig.5 Variation of pressure drop with distance for different pipe diameters

管徑直接影響管內(nèi)的壓力分布和壓降大小。隨著距離的增加,管徑增大對(duì)壓縮空氣泡沫壓降降低的影響更為明顯。在100 m處,選用65 mm管徑比選用50 mm管徑,壓降低22 kPa,在距離200 m處,選用65 mm 管徑比選用50 mm管徑,壓降低48 kPa,而當(dāng)距離提高到400 m時(shí),65 mm管徑的壓降比50 mm管徑的壓降低80 kPa。因此,當(dāng)壓縮空氣泡沫在短距離管道中流動(dòng)時(shí),管道直徑對(duì)壓降的影響很小,當(dāng)壓縮空氣泡沫在長(zhǎng)距離管道中流動(dòng)時(shí),選擇較大的管道直徑可以顯著降低壓降。

為體現(xiàn)管徑對(duì)壓降的影響,通過改變管徑大小,將不同距離處的壓降進(jìn)行線性擬合,得到壓縮空氣泡沫壓降擬合曲線方程為：

ΔP2=-k2d+b

(6)

式中,ΔP2——壓縮空氣泡沫壓降,kPa;

k2——壓縮空氣泡沫平均單位管徑壓降,kPa;

d——管徑寬度,mm;

b——截距,m。

壓降隨管徑變化的擬合曲線方程如表3所示。從表3中可以發(fā)現(xiàn),在不同管長(zhǎng)位置,壓降隨著管徑的增大均呈現(xiàn)線性減小。

表3 壓降擬合曲線方程Table 3 Pressure drop fitting curve equation

平均單位管徑壓力損失k2決定管徑對(duì)壓降的影響程度。管道越長(zhǎng),壓縮空氣泡沫平均單位管徑壓力損失越大,管長(zhǎng)100 m處的平均單位管徑壓降為1.633 kPa,管長(zhǎng)400 m處的平均單位管徑壓降為6.934 kPa,是管長(zhǎng)100 m的4倍,在長(zhǎng)距離管道中選用較大管徑可以有效減小壓降。

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性,將不同位置處的模擬數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[7]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,同時(shí)進(jìn)行誤差分析。

將文獻(xiàn)[7]中距離入口232 m處的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中管徑50 mm的管道,壓降為185 kPa,本文模擬值為196 kPa,壓降誤差為11 kPa。實(shí)驗(yàn)中管徑65 mm的管道,壓降為151 kPa,本文模擬值為150 kPa,壓降誤差為1 kPa。實(shí)驗(yàn)中管徑80 mm的管道,壓降為100 kPa,本文模擬值為97 kPa,壓降誤差為3 kPa。誤差均在10%以內(nèi),在合理范圍,進(jìn)而驗(yàn)證了模擬的可靠性。

圖6 距離入口232 m處的壓降對(duì)比Fig.6 Pressure drop comparison at 232 m from the inlet

相應(yīng)的,將模擬400 m處的壓降結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,結(jié)果如圖7所示。實(shí)驗(yàn)中管徑50 mm的管道,壓降為350 kPa,本文模擬值為354 kPa,壓降誤差為4 kPa。實(shí)驗(yàn)中管徑65 mm的管道,壓降為275 kPa,本文模擬值為274 kPa,壓降誤差為1 kPa。實(shí)驗(yàn)中管徑80 mm的管道,壓降值為155 kPa,本文模擬值為146 kPa,壓降誤差為9 kPa。誤差均在10%以內(nèi),驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。

圖7 距離入口400 m處的壓降對(duì)比Fig.7 Pressure drop comparison at 400 m from the inlet

3.3 泡沫原液濃度對(duì)管內(nèi)傳輸壓降的影響

以文獻(xiàn)[7]中的實(shí)驗(yàn)工況為依據(jù),測(cè)定未經(jīng)發(fā)泡的AFFF泡沫原液濃度對(duì)管內(nèi)傳輸壓降的影響,泡沫濃縮液所占的體積比為稀釋比[12]。經(jīng)稀釋過的3%水成膜泡沫密度為1 010 kg/m3,粘度為18.7 cp,泡沫原液在管道內(nèi)的流動(dòng)同樣按照單相流進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

從圖8可以看出,在相同管道直徑的情況下,1%濃度的AFFF泡沫原液和3%濃度的AFFF泡沫原液壓降隨距離的變化幾乎沒有差別,壓降均呈線性變化。

圖8 不同濃度泡沫原液壓降隨距離的變化Fig.8 Variation of pressure drop with different distances of foam original solution with different concentrations

為直觀表達(dá)泡沫原液在管道內(nèi)壓降的變化,將泡沫原液壓降進(jìn)行線性擬合,擬合曲線方程為：

ΔP3=k3m

(7)

式中,ΔP3——泡沫原液壓降,kPa;

k3——泡沫原液平均單位長(zhǎng)度壓降,kPa/m;

m——管道長(zhǎng)度,m。

不同濃度的泡沫原液壓降隨距離變化的擬合曲線方程如表4所示。可以看出,1%與3%濃度的泡沫原液平均單位長(zhǎng)度壓降k3僅相差0.01 kPa/m,泡沫原液濃度對(duì)泡沫原液平均單位長(zhǎng)度壓降幾乎沒有影響。

表4 壓降擬合曲線方程Table 4 Pressure drop fitting curve equations

泡沫原液濃度對(duì)管道內(nèi)壓降幾乎沒有影響,如圖9所示。1%和3%濃度的AFFF泡沫原液模擬壓降分別為148 kPa和146 kPa,相差2 kPa。將文獻(xiàn)[7]中距離入口350 m處測(cè)得的泡沫原液壓降結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,1%濃度的AFFF泡沫原液誤差值為2 kPa,3%濃度的AFFF泡沫原液誤差值為5 kPa,誤差在10%內(nèi),在允許范圍內(nèi)。

圖9 距離入口350 m處泡沫原液壓降對(duì)比Fig.9 Pressure drop comparison of foam original solution at 350 m from the inlet

泡沫原液濃度對(duì)管道內(nèi)壓降影響很小,而當(dāng)流量一定時(shí),壓降與壓縮空氣泡沫系統(tǒng)中設(shè)置的泡沫混合液供給流量以及空氣供給流量的比值有關(guān),即與壓縮空氣泡沫的氣液比相關(guān)。

4 結(jié)論

對(duì)壓縮空氣泡沫在管道內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并結(jié)合文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,對(duì)管道內(nèi)各處的壓力變化及壓降變化特性進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論：

(1)在定氣液比與定流量的情況下,400 m長(zhǎng)管道內(nèi)壓縮空氣泡沫的壓降隨著距離的增加而線性增加,且50 mm、65 mm和80 mm管徑的管道單位長(zhǎng)度壓降分別為0.885 kPa/m,0.676 kPa/m和0.368 kPa/m。數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,利用數(shù)值模擬壓縮空氣泡沫輸送在長(zhǎng)管道內(nèi)的壓降對(duì)工程設(shè)計(jì)計(jì)算具有一定的參考價(jià)值。

(2)在定氣液比與定流量的情況下,管道直徑對(duì)壓縮空氣泡沫壓降影響顯著,管徑越大,壓降變化越小。管道長(zhǎng)度越長(zhǎng),平均單位管徑壓降k2越大,管徑對(duì)壓降的影響程度就越強(qiáng)烈。因此,在實(shí)際工程中,為使得管道末端有更大的壓力輸出,應(yīng)綜合選擇管徑和管長(zhǎng)的大小,盡可能設(shè)置較短的輸送管道并在輸送時(shí)間允許的范圍內(nèi),選擇較大直徑的輸送管道。

(3)未經(jīng)發(fā)泡的泡沫原液濃度對(duì)泡沫原液的壓降變化影響不大,壓降與壓縮空氣泡沫的氣液比有關(guān),長(zhǎng)距離管道壓降的工程計(jì)算中可忽略泡沫原液濃度的影響,重點(diǎn)考慮氣液比因素。