基于CFD-PBM模型的消防車氣液混合器仿真分析

摘要：氣液混合器是壓縮空氣泡沫發(fā)生系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其內(nèi)部流場的分布對壓縮空氣泡沫發(fā)生系統(tǒng)的性能具有重要影響。利用Fluent軟件，建立混合器CFD-PBM耦合模型，研究不同進(jìn)氣方式對氣液混合器內(nèi)部流場和泡沫粒徑變化過程的影響，結(jié)果表明：側(cè)壁進(jìn)氣式混合器相對于中心進(jìn)氣式混合器，雖然氣液混合均勻性稍差，但混合器內(nèi)部壓力損失更?。恢行倪M(jìn)氣式混合器氣液混合初期泡沫以聚并為主，混合后期以破碎為主，側(cè)壁進(jìn)氣式混合器氣液混合初期泡沫以破碎為主，混合后期以聚并為主，同中心進(jìn)氣式混合器相比，側(cè)壁進(jìn)氣式混合器產(chǎn)生的泡沫更為致密，粒徑大小均一性更好，分布更加均勻。

關(guān)鍵詞：氣液混合；CFD-PBM；泡沫；混合器

中圖分類號：U469.6+8 收稿日期：2023-08-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.012

1 前言

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)（Compress Air Foam System，CAFS）是一種消防車用高效綠色環(huán)保的新型消防滅火裝備，通過將空氣與水和泡沫混合，并利用高壓氣體將其噴出，形成一種能有效抑制火勢的泡沫狀噴射物，從而有效地阻止火勢的擴(kuò)大和燃燒。與傳統(tǒng)純水滅火方式相比，CAFS具有泡沫能量高、穩(wěn)定性好、泡沫混合比調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種火災(zāi)救援中。氣液混合器是CAFS的關(guān)鍵部件之一[1]，其工作原理是將壓縮空氣與泡沫液按照一定比例，分別通過管道流入氣液混合器，然后泡沫液在高速壓縮空氣的沖擊作用下，經(jīng)過混合、碰撞產(chǎn)生高能量滅火泡沫。為了提高泡沫液滅火性能，在混合過程中氣液兩相需要盡量充分混合，產(chǎn)生尺寸均一的泡沫[2]。因此，氣液混合器的結(jié)構(gòu)對CAFS的氣液混合性能和滅火效果起到關(guān)鍵作用。

目前，在CAFS系統(tǒng)中常用的氣液混合器進(jìn)氣形式主要為中心進(jìn)氣和側(cè)壁進(jìn)氣。研究氣液混合器內(nèi)部流場分布和泡沫粒徑大小分布規(guī)律是提升CAFS性能的關(guān)鍵，鑒于CAFS的氣液混合速度極快，通過實驗觀察的方法進(jìn)行分析存在較大難度。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真模擬被廣泛應(yīng)用于流場分析[3-4]。本文運(yùn)用Fluent軟件建立CAFS的氣液混合器CFD-PBM仿真模型，對氣液混合過程進(jìn)行仿真分析，對比分析側(cè)壁進(jìn)氣式和中心進(jìn)氣式兩種混合器內(nèi)部流場壓力、速度、液相分布情況及泡沫粒徑變化過程，為優(yōu)化氣液混合器結(jié)構(gòu)，提升CAFS性能提供理論參考和設(shè)計依據(jù)。

2 分析模型

2.1 湍流模型

Fluent軟件提供了Standard k-?、RNG k-?和Realizable k-?三種湍流模型，其中Realizable k-?模型是一種新的湍流模型，綜合了其他兩種模型的優(yōu)點，求解精度高，適用范圍廣，在復(fù)雜的湍流流動模擬和工程應(yīng)用中具有重要作用。CAFS系統(tǒng)氣液混合器兩相混合時速度變化較大，易產(chǎn)生較大的湍動能，因此本文選用Realizable k-?湍流模型用來模擬流體中的湍流運(yùn)動。湍動能k和耗散率[ε][5]方程分別如下：

式中，[σk]、[σε]分別為湍動能k和耗散率[ε]；[ρ]為流體密度；[xi]、[xj]分別為x、y方向分量；[Tk]為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能；[Tb]為由浮力影響產(chǎn)生的湍動能；[YM]為可壓縮湍動脈動膨脹對總的耗散率的影響；[μ]為分子粘度系數(shù)；[ut]為湍流粘性系數(shù)。

2.2 群平衡模型

群平衡模型（Population Balance Model，PBM）是研究基于離散粒子聚并和破碎過程中粒子直徑大小變化情況的一種基礎(chǔ)理論模型，是迄今研究離散粒子群破碎、聚并等過程中最成熟的也是應(yīng)用最為廣泛的方法。在氣液兩相混合過程中氣泡主要發(fā)生聚并與破碎現(xiàn)象，PBM通過在動量和能量守恒的基礎(chǔ)上添加一個群平衡方程來描述氣泡變化情況，群平衡方程引入了數(shù)量密度函數(shù)來表示氣泡群，通過氣泡直徑尺寸的變化來描述氣泡的行為特征，PBM方程[6-7]表示為：

式中，右邊第一項和第二相分別為氣泡聚并產(chǎn)生相和死亡相；第三項和第四項分別為氣泡破碎產(chǎn)生相和死亡相；[v]為氣泡的原始體積；[v]為子氣泡的體積，[a（v，v）]為氣泡聚并速率；[n（v，t）]為氣泡數(shù)密度；[bv]為氣泡破碎函數(shù)；[βvv]為氣泡破碎時的概率密度函數(shù)。

Luo模型是一種廣泛應(yīng)用于模擬氣泡聚并與破碎的通用模型，在計算顆粒破碎速率和子顆粒大小分布函數(shù)方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢[8]。因此本文選用Luo聚并和破碎模型，表面張力系數(shù)設(shè)置為0.072。

3 氣液混合器仿真分析

3.1 兩種混合器進(jìn)氣結(jié)構(gòu)方案

中心進(jìn)氣式混合器三維模型如圖1a所示，進(jìn)氣管道位于混合器變徑段，進(jìn)氣口傾斜段與混合器軸向夾角為45°，水平段與混合器同軸。側(cè)壁進(jìn)氣式混合器三維模型如圖1b所示，進(jìn)氣管道位于混合器側(cè)壁且與混合器軸線垂直。

3.2 網(wǎng)格劃分

為了兼顧計算精度和計算效率，流體域網(wǎng)格劃分采用多面體網(wǎng)格形式，最大網(wǎng)格尺寸為3 mm，并對近壁面區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化加密以滿足計算精度要求。為了便于對比分析，兩種方案的網(wǎng)格大小、邊界條件和計算設(shè)置均保持一致。側(cè)壁進(jìn)氣式混合器流體域整體網(wǎng)格和局部網(wǎng)格如圖2所示。

3.3 邊界條件設(shè)置

多相流選用Mixture模型，介質(zhì)為泡沫混合液與壓縮空氣，其中主相為泡沫混合液，第二相為壓縮空氣，根據(jù)克拉伯龍方程[4]可以計算出0.6 MPa的壓縮空氣密度為7.35 kg/m3。壓縮空氣和泡沫液邊界入口均設(shè)置為速度入口，根據(jù)管道流量與管徑大小計算出泡沫液和壓縮空氣入口速度，大小分別為1.17 m/s和102 m/s，出口為壓力出口，壁面為無滑移光滑壁面。計算選用SIMPLE算法，采用一階迎風(fēng)差分格式，在Fluent軟件中迭代計算直至收斂。為了便于對比分析，假設(shè)初始泡沫直徑均為0.5 mm，且混合過程中泡沫僅發(fā)生聚并和破碎現(xiàn)象。

4 對比分析

4.1 流場分布對比分析

對上述中心進(jìn)氣式混合器仿真分析后，混合器縱向截面液相分布云圖、壓力云圖、速度云圖如圖3所示。

由圖3可知，中心進(jìn)氣式混合器的壓縮空氣主要分布于混合器中心部位，泡沫液主要分布于混合器上下兩側(cè)，壓縮空氣從進(jìn)氣口進(jìn)入混合器內(nèi)部后，沿水平方向射出，逐漸向四周擴(kuò)散直至出口，高速流體分布范圍廣，氣液混合均勻性好。由于進(jìn)氣管道阻礙流體的影響，混合器內(nèi)部壓差為0.12 MPa。

側(cè)壁進(jìn)氣式混合器進(jìn)行仿真分析后，混合器縱向截面液相分布云圖、壓力云圖、速度云圖如圖4所示。

從圖4可以看到，側(cè)壁進(jìn)氣式混合器壓縮空氣流經(jīng)進(jìn)氣管道進(jìn)入混合器后，與混合器底部內(nèi)壁近似垂直撞擊，然后大部分流體沿著混合器底部內(nèi)壁向出口方向流動，少部分向泡沫液進(jìn)氣口一側(cè)反射。壓縮空氣主要集中在混合器內(nèi)壁底部，泡沫液主要分布于混合器中上區(qū)域。混合器內(nèi)部氣液混合區(qū)壓力較為均勻，最大壓差為0.086 MPa。同中心式進(jìn)氣混合器相比，側(cè)壁進(jìn)氣式混合器氣液混合均勻性較差，但壓力損失相對較小。

4.2 泡沫粒徑分布對比分析

為了分析不同混合器內(nèi)部氣液混合后泡沫粒徑變化過程，分別提取混合器的不同截面處的泡沫粒徑分布，兩種混合器的距離出口450 mm截面和出口截面泡沫粒徑直方圖如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出，中心式進(jìn)氣混合器在距離出口450 mm處截面上泡沫粒徑分布范圍較廣，其中粒徑在0.6～0.7 mm范圍內(nèi)的泡沫占比相對較高，占比為16.8%，而在出口截面處泡沫粒徑范圍大大縮小，粒徑為0.5～0.6 mm和0.6～0.7 mm范圍的泡沫占比分別增加至37.8%和57.4%，同時，粒徑為0.7～2 mm范圍的大粒徑泡沫顯著減少，占比減少至4.8%。這表明中心式進(jìn)氣混合器氣液混合初期泡沫以聚并為主，混合后期以破碎為主。

從圖6可以看到，側(cè)壁進(jìn)氣式混合器距離出口450 mm截面上泡沫直徑主要為0.4～0.5 mm，占比約為70%，而在出口截面上直徑為0.4～0.5 mm范圍的泡沫占比減少至47%，泡沫直徑為0.5～0.7 mm范圍的占比提高至46%。這表明側(cè)壁進(jìn)氣式混合器在氣液混合初期泡沫以破碎為主，后期以聚并為主。結(jié)合前面流場分析可知，側(cè)壁進(jìn)氣式混合器在氣液混合初期，高速的壓縮空氣流射入混合器內(nèi)部后與底部內(nèi)壁發(fā)生碰撞，泡沫在碰撞的過程中由于外力的作用發(fā)生破碎，雖然混合后期以聚并為主，但是泡沫整體粒徑均較小。同中心進(jìn)氣式混合器相比，側(cè)壁進(jìn)氣式混合器產(chǎn)生的泡沫更為致密，粒徑大小均一性更好，分布更加均勻。

5 結(jié)語

本文通過對消防車壓縮空氣泡沫系統(tǒng)側(cè)壁進(jìn)氣和中心進(jìn)氣兩種混合器進(jìn)行氣液混合仿真分析，結(jié)合流場分布和泡沫粒徑分布結(jié)果比對，可以得出以下結(jié)論：

a.側(cè)壁進(jìn)氣式混合器相對于中心進(jìn)氣式混合器，氣液混合均勻性稍差，但混合器內(nèi)部壓力損失更小。

b.中心進(jìn)氣式混合器氣液混合初期泡沫以聚并為主，混合后期以破碎為主，側(cè)壁進(jìn)氣式混合器氣液混合初期泡沫以破碎為主，混合后期以聚并為主，同中心進(jìn)氣式混合器相比，側(cè)壁進(jìn)氣式混合器產(chǎn)生的泡沫更為致密，粒徑大小均一性更好，性能更穩(wěn)定。

c.基于CFD-PBM模型對不同結(jié)構(gòu)形式的氣液混合器進(jìn)行對比仿真分析，為進(jìn)一步優(yōu)化氣液混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考和設(shè)計依據(jù)。

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作者簡介：

聞健，男，1988年生，工程師，研究方向為汽車有限元分析、特種車輛裝備開發(fā)。