多喷嘴组合式直旋流细水雾灭火喷头设计

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(1.西华大学能源与环境学院，四川 成都 610039； 2.成都威斯特消防机械有限公司，四川 成都 611730)

·能源与环境·

多喷嘴组合式直旋流细水雾灭火喷头设计

华 丹1，李庆刚1*，唐 孛1，葛 凯1，成华友2

(1.西华大学能源与环境学院，四川 成都 610039； 2.成都威斯特消防机械有限公司，四川 成都 611730)

为解决单喷嘴直旋流细水雾灭火喷头在喷雾保护半径小以及喷雾密度分布方面的局限性，采用数值模拟与实验研究相结合的方法，设计一种新型多喷嘴组合式直旋流结构的细水雾灭火喷头。数值仿真和实验结果表明：在相同压力工况下多喷嘴组合式直旋流细水雾灭火喷头与单喷嘴直旋流细水雾灭火喷头比较，喷雾保护锥角从单喷嘴喷头的59°增加到多喷嘴组合式喷头的114°，喷雾保护锥角最高增幅达到93%，流量特性系数K从单喷嘴喷头的1.99增大到多喷嘴组合式喷头8.02，多喷嘴组合式喷头实际流量节省了约20%；同时，多喷嘴组合式喷头5个喷嘴之间的喷雾无干涉。

多喷嘴；细水雾；组合式喷头；数值仿真

随着卤代烷系列灭火剂逐步面临限制和淘汰，细水雾灭火系统因具有无环境污染、灭火效率高、耗水量少、对保护对象破坏性小等优点显示出广泛的应用前景，目前已成为国内外火灾科学前沿研究的热点。由于细水雾灭火喷头内外部两相湍流运动的复杂性，目前工程应用的细水雾灭火喷头的雾化效果仍然不太理想，因此有必要对细水雾灭火喷头的结构和雾化性能进行深入研究[1]。同时，针对已开发的单喷嘴直旋流细水雾灭火喷头在喷雾保护半径和喷雾密度分布等方面的局限性，研究如何将单喷嘴直旋流细水雾灭火喷头进行有效的组合，既发挥单喷嘴直旋流细水雾灭火喷头在灭火效能方面的优势，又可以弥补单喷嘴直旋流细水雾灭火喷头在喷雾半径方面的劣势，同时避免由于多个喷嘴组合后各喷嘴之间产生雾化干扰[2]。

1 多喷嘴组合式直旋流细水雾喷头的结构

1.1设计思路

课题组在对单喷嘴直旋流细水雾灭火喷头进行理论研究与实验研究及实际应用中，发现单喷嘴直旋流细水雾灭火喷头在灭火效果上有很好的表现[3]，但是还存在不足，由于灭火覆盖面积有限，应用在一些大空间范围内，需要布置数个灭火喷头，才能达到预期灭火效果；因此，我们设想把这种结构简单灭火效果又出色的喷头组合起来，在原有单喷嘴直旋流细水雾灭火喷头灭火效果的基础上，弥补其在保护半径上的不足，增大该喷头的防火保护范围。在多喷嘴组合式直旋流细水雾灭火喷头的内部结构方面，既要保证水流可以在流腔内充分混合，还要保证足够的出口喷雾速度。在多喷嘴组合式直旋流细水雾灭火喷头的布置方面，首先要保证各喷嘴之间喷雾不会产生雾化干扰，其次要保证增加灭火保护面积后，灭火效率的其他指标不受影响或者其所造成的影响在可以控制的范围内，最后考虑到工程应用上的经济性，在不影响灭火效果的前提下，尽量增加喷嘴的个数。

1.2多喷嘴组合式直旋流细水雾喷头的结构

多喷嘴组合式直旋流细水雾灭火喷头采用5个喷嘴组合结构，使用的喷嘴为课题组教学理论与实验研究的单喷嘴直旋流结构细水雾喷头，该喷头已获得国家发明专利。为了减少多喷嘴组合式直旋流细水雾喷头的压力损失，在结构设计时需要多喷嘴组合式直旋流细水雾喷头的结构紧凑；同时还需要保证在喷雾时，喷嘴之间喷出的雾滴相互不会产生雾化干扰，否则会影响液滴的碎裂以及细水雾的形成。多喷嘴组合式直旋流细水雾灭火喷头结构是1个中心喷嘴轴向布置，4个辅助喷嘴以中心喷嘴为圆心周向布置，多喷嘴组合式直旋流细水雾灭火喷头的喷嘴数是5个，其结构见图1。

2 多喷嘴组合式直旋流细水雾喷头的数值模拟

2.1数学模型

细水雾喷头的雾化过程是极其复杂的，涵盖了混合旋流、湍流、两相流、空气连续相破裂、雾滴碰撞等，目前有多个描述该类流场的数学模型[4]。笔者选择适用于基于ε方程的湍流模型的可升级壁面函数来模拟分析k-ε模型。k-ε模型是模拟计算中使用频率最高的湍流模型，其中k为湍动能，定义速度波动的变化量，其单位为m2/s2;ε为湍动能耗散，即指速度波动耗散的速率，其单位为m2/s3。k、ε值直接从湍动能和湍动能耗散方程中求解，方程为：

图1 多喷嘴组合式直旋流细水雾喷头结构

pk-ρε；

(1)

(2)

式中Cε1、Cε2、σk、σε为常数。

本文设定流体在壁面处流动模式为无滑移，流体与壁面间相互作用。

壁面函数理论是Launder和Spalding理论的延伸，近壁处的切向速度是与壁面剪切应力τω成对数关系，其关系式为

(3)

式中：u+为近壁速度；uτ为摩擦速度；ut为距离壁面Δy处的壁面切向速度；y+为到壁面的量纲一距离；τω为壁面切应力；k为Karman常数；C为与壁面粗糙程度相关的对数层常数。

可升级的壁面函数就是近壁速度ut接近零时的壁面函数，这时，近壁处位置会发生异常，因此在对数区域里，在某些速度范围内，可以使用u*代替u+，即

(4)

又因为在湍流区域,k值不可完全为零，据此可得uτ的直接方程

(5)

式中量纲一距离y*的计算式为

(6)

壁面剪切应力τω的绝对值由下式得出：

τω=ρu*uτ[5]。

(7)

2.2网格划分与流场的设定

多喷嘴组合式直旋流喷头内部和外部流场的三维立体模型是采用FLUENT 的前处理软件GAMBIT建立的，网格划分见图2。同时，为了保证精度，在喷嘴处进行了网格局部加密，喷嘴外部流场局部网格放大见图3[6]。模型的入口、出口边界分别为压力入口以及压力出口。本文采用适用于ε方程的湍流模型的可升级壁面函数。为提高计算的准确性，根据流场的压力梯度进行网格的自适应调整，并通过动态改变步长进行非稳态计算来加速计算的收敛[7]。

图2 多喷嘴组合式喷头网格划分

图3 外部流场局部网格放大

2.3数值模拟结果分析

由于多喷嘴组合式直旋流细水雾灭火喷头相较于单喷嘴直旋流细水雾灭火喷头来说，体积稍大，故在分析时，本文沿YZ面做了一个切平面，用来对多喷嘴组合式喷头做辅助分析。如图4(a)、(b)所示，通过CFD后处理软件，将多喷嘴组合式喷头(b)内部流腔的混合旋流情况与单喷嘴喷头(a)内部流腔的混合旋流情况作比较，发现在相同压力(3 MPa)下，单喷嘴喷头在喷头出口底部产生非常明显的旋流，但是在喷头的内部流腔中后部，单喷嘴喷头的混流情况要比多喷嘴组合式喷头更明显。在出口速度方面，多喷嘴组合式喷头的出水速度略低于单喷嘴喷头，但是出水速度差距不明显。

(a)单喷嘴

(b)多喷嘴

图4 2种喷头内部流腔混流效果对比图

从图5以及图6可以看出，随着测试水压的提高，多喷嘴组合式喷头在实验压力(3、5、7、9 MPa)核心区喷射角度并无明显变化，仅在一个非常小的范围内产生波动。说明当测试水压处于中高压阶段时，水雾的喷射角度与测试水压并没有明显关系，结合之前课题组的研究情况，在中高压阶段，喷头的内部流道结构与水雾喷射角度有关。

图5 喷头喷射角度与测试压力关系图(5 MPa)

图6 核心区喷射角度比较结果

根据数值模拟的结果，随着测试水压的提高，水雾的出口速度有明显的提升(见图7)，轴向动量增大，雾滴穿透火焰的能力增强。

图7 测试水压与水雾出口速度的关系

3 实验结果分析

由于喷头的雾化机制十分复杂，单纯的理论分析和数值模拟是不够的，必须进行实验[8]；故笔者所在课题组于2014年4—5月在西华大学流体及动力机械教育部重点实验室的喷雾台实验台架上和室外对多喷嘴细水雾灭火喷头依次在不同压力工况下喷头的雾化性能、雾化锥角、流量、水平喷射距离进行了实验测量。

分别从2个角度观察多喷嘴组合式喷头的雾化锥角，如图8所示。提升测试水压，多喷嘴组合式喷头的总体雾化锥角会随着压力的提升而降低，测试压力在3.5 MPa之后，曲线变化比较平缓，说明压力在3.5～8 MPa之间变化时，雾化锥角的变化不大。在2.5 MPa压力工况下分别对单喷嘴喷头和多喷嘴组合式喷头进行雾化锥角测量比较，喷雾保护锥角从单喷嘴喷头的59°增加到多喷嘴组合式喷头的114°，喷雾保护锥角增幅达到93%，喷头的保护半径增大，提高了喷头的灭火效能。多喷嘴组合式喷头喷雾效果如图9所示。

图8 雾化锥角与测试水压关系

图9 多喷嘴组合式喷头喷雾效果(测试水压5 MPa)

多喷嘴组合式喷头的流量、流量特性与水压关系如图10、11所示。通常认为，在喷头出口孔径一定的条件下，只要提高工作压力流量就会增加[9]。根据图中所示曲线，曲线变化较平缓，流量的变化速度小于压力的变化速度。这是由多喷嘴组合式喷头内部流道的结构引起的。在2.5 MPa压力工况下的单喷嘴喷头与多喷嘴组合式喷头相比，流量特性系数K从单喷嘴喷头的1.99增大到多喷嘴组合式喷头的8.02。多喷嘴组合式喷头由5个相同的单喷嘴组成，多喷嘴组合式喷头实际流量节省了约20%。

图10 多喷嘴组合式喷头流量与测试水压关系

图11 多喷嘴组合式喷头流量特性与测试水压的关系

如图12所示，随着压力的提高喷雾水平距离有明显的提升。根据实际需求，喷头安装的适用高度取决于喷雾射程的大小[10]。从图12中可看出，组合式喷头的水平喷射距离随水压力的提高而提高，喷头安装的适用高度范围比较广泛。

图12 多喷嘴组合式喷头水平喷射距离与水压的关系

4 结论

课题组设计了一种结构紧凑、流道压力损失小、有效保持了各个单喷嘴的雾化特性、实用于细水雾灭火系统的新型多喷嘴组合式直旋流结构的细水雾喷头，并对其进行了喷雾数值模拟与实验研究，得到以下结论。

1)在2.5 MPa压力工况下分别对单喷嘴喷头和多喷嘴组合式喷头进行雾化锥角测量比较，喷雾保护锥角从单喷嘴喷头的59°增加到多喷嘴组合式喷头的114°，喷雾保护锥角增幅达到93%，喷头的保护半径增大，提高了喷头的灭火效能。

2)在2.5 MPa压力工况下的单喷嘴喷头与多喷嘴组合式喷头相比，流量特性系数K从单喷嘴喷头的1.99增大到多喷嘴组合式喷头的8.02。多喷嘴组合式喷头是由5个相同的单喷嘴组成，多喷嘴组合式喷头实际流量节省了约20%。

3)多喷嘴组合是喷头灭火保护区域，5个喷嘴之间不会形成雾滴的相互干扰，细水雾的轴向动量没有损失，可以保证细水雾的顺利形成。

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(编校：夏书林)

DesignofCombinedMulti-nozzlewithPerpendicularIncidenceRotationalFlowAtomizationWaterMist

HUA Dan1, LI Qing-gang1*,TANG Bei1, GE Kai1,CHENG Hua-you2

(1.SchoolofEnergyandEnvironment,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.ChengduWeisiteFire-FightingEquipmentCo.,Ltd,Chengdu611730China)

By the means of numerical simulation and experiment, a new type of combined multi-nozzle with perpendicular incidence rotational flow atomization water mist is designed to overcome the shortage of small radius and low density distribution that are innate for single-nozzle . The results of numerical simulation and experiment show thatunder the same pressure, the angle of multi-nozzle is 114°, while the angle of single-nozzle is 59°.The angle can increase 93% to the fullest extent. In addition, the flow coefficient K of the multi-nozzle is 8.02, which is larger than that of the single-nozzle (1.99). Moreover, the multi-nozzle can save about 20% water, and the 5 sub-sprinkle head are interference-free.

multi-nozzle; water mist; combined nozzle; numerical simulation

2014-10-16

流体及动力机械教育部重点实验室基金项目(szjj2013-010);西华大学研究生创新基金项目(YCJJ201384);西华大学研究生创新基金项目(YCJJ2014070)。

：李庆刚(1956—)，男，教授，硕士，主要研究方向为流体机械及工程。E-mail:lqg@mail.xhu.edu.cn.

TK7；O351

：A

：1673-159X(2015)02-0108-5

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.02.022

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