手提活塞式高壓細水霧發生器特性仿真研究

, , , 　, 　(.中國海洋大學 山東省海洋工程重點實驗室， 山東 青島　26600；2.國家海洋局 南海維權技術與應用重點實驗室， 廣東 廣州　500；.北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院， 北京　009)

引言

高壓細水霧是指工作壓力不小于8 MPa，距噴嘴1 m 處平面上形成的霧滴直徑Dv0.99大于200 μm的水微粒[1]。水與環境相容、與火相克、熱容量(4.2 J/(g·K))大、氣化潛熱能(2442 J/g)高等特性及細水霧屬性，如霧滴直徑微小，表面積大，熱交換性能優良，增強降溫效果；吸收熱量后迅速汽化，體積急劇膨脹(達到1700多倍)，降低了氧氣濃度，抑制氧化反應速度；優越的隔熱輻射傳遞性能等[2,3]，使得細水霧滅火技術具有傳統滅火技術，如水噴淋、鹵代烷滅火等，無可比擬的優點，近年來，在國際上受到廣泛深入的研究，主要研究表現在以下幾個方面。

(1) 細水霧滅火機理方面

對細水霧滅火機理的研究主要集中在細水霧與火焰的相互作用規律及細水霧抑制撲滅火災的主導機理等方面的分析。楊立軍等[4]利用非線性突變理論，研究了細水霧滅火過程，推導出了火焰能量函數及火焰臨界熄滅溫度的表達式，得到了細水霧撲滅正庚烷油盆火熄滅邊界，并進行了相關實驗論證。LIU[5-7]詳細論述了細水霧滅火機理，得出細水霧是在冷卻、窒息、阻隔輻射熱及浸潤等作用下達到控制、抑制、撲滅火災，并對細水霧撲滅不同類型火災的機理及過程進行了理論及試驗研究，得出針對不同類型火災，其抑制撲滅火災的主導機理及過程是不同的，所需的細水霧特性，如霧滴直徑、噴射距離等也存在差異。

(2) 噴嘴設計及霧化特性方面

對于噴嘴的設計及霧化特性，國內外學者已展開了大量研究工作。范文宏等[8]介紹了一種離心噴嘴的結構，并對其流場特性進行了仿真研究，指出邊壁粗糙度對噴霧錐角有很大影響。周華等[9,10]研發了一種兩級霧化噴嘴，分析了噴嘴直徑、噴霧壓力等對霧滴直徑、噴霧密度分布等霧化特性的影響，并對其滅火性能進行了實驗研究，結果表明該噴嘴霧化效果好、滅火能力強。YOON[11]通過旋流霧化實心錐噴嘴的流量系數及霧化錐角的理論及實驗研究，指出當旋流系數小時，流量系數受其影響小；當旋流系數大時，流量系數隨之增大而減小，而霧錐角隨之增大而增大。Geoff等[12]對典型噴嘴的霧錐角、流量、霧滴分布等進行了大量的試驗研究，為細水霧噴嘴的設計及選擇提供了依據。

(3) 細水霧滅火系統研發及應用方面

由于細水霧滅火技術安全、環保、滅火機理先進、滅火效果好，使其應用基本不受場所限制，尤其是對高危險場合的局部保護和對密閉空間的保護特別有效。目前，已研制出固定式、車載移動式、手提式三類細水霧滅火系統，在陸上(如室內、隧道等)[13，14]、海上(如船舶)[15]及太空(如空間站)[16，17]都有應用的介紹。

綜上所述，現有的研究側重于滅火機理、霧化機理、霧滴特性、噴嘴及系統研發上，而對細水霧滅火系統，特別是手提式的系統的靜動態特性，如滅火時長、工作壓力等研究甚少。

手提式高壓細水霧發生器的結構及工作原理類似于液壓蓄能器，它預先將能量轉變為勢能儲存起來，噴霧時，又將勢能轉變為水的動能釋放。首先，由于結構尺寸的限制，其儲能有限，影響滅火時長；其次，由于能量的釋放，其工作壓力變化較大，影響霧化特性及滅火效能。因此，有必要對這些特性進行研究，以優化手提式細水霧發生器的設計。

設計研制了一款手提活塞式高壓細水霧發生器，建立了其數學模型，對充水及噴霧過程進行了仿真研究，詳細分析了充水速度、噴霧瞬間壓力、活塞直徑等參數對活塞運動特性、腔內壓力及溫度的影響，為設計手提活塞式高壓細水霧發生器提供依據。

1　設計

1.1　工作原理

借鑒液壓蓄能器結構、蓄能方式及工作原理，文中的手提式高壓細水霧發生器采用充氣活塞式結構，如圖1a所示：主要由進氣閥、缸體、活塞(密封圈)、手動啟閉閥及噴嘴等組成。其工作原理如圖2所示：① 預先通過進氣閥向下腔充入一定壓力pgc的氣體；② 更換噴嘴為過渡接頭，通過過渡接頭及手動啟閉閥向上腔充入高壓水，活塞下移，壓縮下腔氣體，實現蓄能過程。蓄能完成后，關閉手動啟閉閥，更換過度接頭為噴嘴，以備使用；③ 開啟手動啟閉閥，在下腔高壓氣體作用下，活塞上移動，高壓水通過噴嘴霧化，實現滅火； ④ 重復過程②③，實現細水霧發生器重復使用。細水霧發生器工作循環如圖3所示：①噴霧過程，由于噴霧時間較長，過程較緩慢，可假設此過程中，氣體腔的變化是等溫變化；②放置過程，由于此時水和氣體體積均無變化，故此過程為等容過程；③充水過程由外部水液壓系統控制，能慢速和快速充水。慢速充水是等溫過程，為噴霧的反過程，在此不做討論；快速充水過程中，氣體壓縮快，可認為此過程為等熵過程。

圖1　手提活塞式高壓細水霧發生器

圖2　細水霧發生器工作原理

圖3　細水霧發生器工作循環

1.2　計算

參照NFPA 750-2006《細水霧滅火系統規范》[1]及國標GB 4398-1999《手提式水型滅火器》[18]，確定樣機參數如下：

(1) 滅火劑量Vw≈0.4 L；

(2) 有效噴霧時間T≥15 s；

(3) 工作壓力范圍8～12 MPa，最高工作壓力14 MPa；

(4) 噴射剩余率(%)=Vu/Vw≤5%(Vu為殘余水體積)。

由上述分析知：

(1)

(2)

計算得：

Vgc=Vg3=1200×103mm3

Vg1=Vg2=800×103mm3

pg1≥14.1 MPa，T1≥344.5 K

(3)

相關尺寸關系：

Ahw=Vw2-Vw3，A(H-hp)

(4)

式中，A、d、hp分別為活塞面積、直徑及厚度，H為腔體總高，hw為液體腔高度。

選擇一個活塞直徑d，就可以計算出氣體腔、液體腔的高度；根據強度要求，可計算出腔體壁厚。其他方面的設計，如進氣閥、手動啟閉閥可參考相關流體傳動與控制方面的資料，在此不作闡述。

2　數學模型

由上述分析知，手提活塞式細水霧發生器是先通過高壓水源向液腔充水，通過活塞壓縮高壓氣體，以儲存能量，然后開啟閥門，壓縮氣體通過活塞驅動水，經噴嘴霧化，實現滅火。其關鍵過程為充水過程和噴霧過程。

2.1　充水過程

充水過程的物理模型如圖4a所示，對活塞作受力分析得：

(5)

流體的體積彈性模量E可表示為：

(6)

對于液體腔：

Vwt=Vu+Ax

(7)

由式(7)和式(8)得：

(8)

(9)

對于氣體腔(忽略水壓縮性)：

Vgt=Vgc-Ax

(10)

(11)

由式(10)和式(11)得：

(12)

圖4　細水霧發生器充水及噴霧過程

2.2　噴霧過程

噴霧過程的物理模型如圖4b所示。對活塞作受力分析得：

(13)

對于液體腔：

Vwt=Vgc+Vu-Ax

(14)

由式(7)和式(15)得：

(15)

選用Danfoss噴嘴180Z1918，其最大工作壓力為14 MPa，噴射角為60°，流量特性近似表達為：

(16)

式中，qwt為通過噴嘴的流量(L/min)；pwt為噴嘴進口端壓力(Pa)。

由式(1)得：

(17)

對于氣體腔：

Vgt=Vg1+Ax

(18)

pgtVgt=pg3Vg3=pgcVgc

(19)

故：

(20)

(21)

(22)

主要參數有充水速度q、溢流閥調定壓力ps、預充氣體壓力pgc、摩擦力Ff、活塞直徑d及質量m、阻尼系數c、殘余水的體積Vu、水的體積彈性模量Ew。其中Ff、c不僅取決于密封圈預壓縮量、活塞及腔體內壁表面質量等因素，而且受活塞直徑、工作壓力、運動速度等因素的影響，很難確定，但手提活塞式細水霧發生器具有以下特征：

(1) 活塞直徑變化范圍小考慮到外觀的美感，腔體的高度與直徑之比應接近1∶0.618(黃金分割)，如選取活塞直徑d=100 mm，可計算出hw≈51 mm，hgc≈102 mm；

(2) 活塞運動速度低如噴霧時，活塞(d=100 mm)運動的平均速度為hw/T≤3.5 mm/s；

(3) 工作壓力范圍小：8～12 MPa。

因此，在本研究中Ff、c取為常數。主要參數見表1。

表1　主要參數表

3　結果與分析

根據式(21)、(22)，在MATLAB中利用四階龍格庫塔法對手提活塞式高壓細水霧發生器的充水及噴霧過程進行仿真研究。

3.1　充水過程

本過程主要研究充水速度(流量)對充水時間、活塞運動特性、液體腔壓力、氣體腔壓力及溫度的影響。圖5～圖8分別是在預充氣壓力為8 MPa、溢流閥調定壓力14 MPa，不同充水速度qw下，活塞位移、速度、液/氣腔壓力及氣體腔溫度隨時間變化曲線，從圖中可以看出：

圖5　充水速度對活塞位移的影響

圖6　充水速度對活塞速度的影響

圖7　充水速度對腔內壓力的影響

(1) 活塞運動特性、腔內壓力及溫度變化趨勢基本一致；且充水速度越快，完成時間或達到穩態時間越短。

圖8　充水速度對氣體腔溫度的影響

(2) 活塞位移先與時間呈線性增大，然后趨于穩態值；且充水速度越大，位移變化越快，穩態值略大。

(3) 活塞速度瞬間上升至穩態值，運動一段時間后較緩慢的下降至零；且充水速度越大，穩態值越大，速度上升幅度(瞬間加速度)越大調整時間越長。

(4) 液體腔壓力瞬間上升并超過氣體腔壓力，并快速趨近于氣體腔壓力，隨后液體腔壓力略高于氣體腔壓力，并一起低速爬升，最終趨于平衡；且充水速度越大，壓力上升越快，趨于穩態所需時間越短。

(5) 氣體腔溫度先隨時間呈非線性上升，然后趨于穩態值；且充水速度越大，溫度上升越快，穩態值略大。

根據充水結束時氣體腔壓力及溫度、放置過程特點(等容過程)、噴霧瞬間氣體腔溫度(室溫)計算出噴霧瞬間氣體腔壓力。

3.2　噴霧過程

本過程主要研究噴霧瞬間壓力及活塞直徑對噴霧過程中的噴霧時間、活塞運動特性、液腔壓力、氣腔壓力等影響。變化規律曲線如圖9～圖12所示，從圖中可以看出：

圖9　活塞位移變化曲線

圖10　活塞速度變化曲線

圖11　活塞加速度變化曲線

(1) 活塞運動特性(位移、速度及加速度)和腔內壓力變化趨勢基本一致，且噴霧時間均大于15 s。

(2) 活塞位移先隨時間呈拋物線增大，然后趨于穩態值；穩態速度受噴霧瞬間壓力影響小，而受活塞直徑影響大。

(3) 活塞速度瞬間快速上升，且出現較大波動，然后趨于穩態，緩慢減小，噴霧結束時迅速降至零；噴霧瞬間壓力越高波動越大，穩態值越大，噴霧時間越短；活塞直徑越小，波動越小，穩態值越大，活塞直徑對噴霧時間影響較小。

(4) 活塞加速度瞬間出現較大的波動，然后在較短時間內不大于0.5 s趨于一個穩態微小值；且噴霧瞬間壓力越高或活塞直徑越大，波動越大。

(5) 腔內壓力先與時間呈非線性減小，噴霧結束時，液腔壓力迅速降至零，氣腔壓力趨于定值；且噴霧瞬間壓力越高，腔內壓力越大，噴霧時間越短；活塞直徑對腔內壓力變化影響較小。

圖12　腔體內壓力變化曲線

由上述研究得出，在滿足設計要求下，活塞直徑越小越好，噴霧瞬間壓力越低越好。結合前節及充水過程的分析，選取活塞直徑d=100 mm，噴霧瞬間壓力pg2=12 MPa。由式(1)～式(4)可計算得手提活塞式細水霧發生器其他尺寸及預充氣壓力，在此不再贅述，研制出的樣機如圖1b所示。

4　結論

設計研制了一款手提活塞式高壓細水霧發生器，對其充水及噴霧過程進行了仿真研究，詳細分析了充水速度、噴霧瞬間壓力、活塞直徑對活塞運動特性、腔內壓力及溫度等的影響。得出：

(1) 對同一細水霧發生器，充水越快，充水所需時間越短、活塞運動速度越大、腔內壓力變化及溫度上升越快，但充水速度對充水結束后狀態影響小；

(2) 相同滅火劑量下，噴霧瞬間壓力越高，噴霧時間越短，活塞運動速度及波動和加速度波動越大，壓力下降越快；

(3) 相同滅火劑量下，活塞直徑越小，活塞位移越大，活塞運動速度及波動和加速度波動越小，但活塞直徑對滅火時間及腔內壓力影響小；

(4) 在滿足設計指標下，活塞直徑越小，噴霧瞬間壓力越小，活塞運動速度及加速度波動越小。

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[18]GB 4398-1999,手提式水型滅火器[S].