基于Fluent滅火用氣泡霧化噴頭設計仿真

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(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

引言

煤礦火災是煤礦安全生產中的三大災害之一，直接危害人的生命安全及礦井設備資源。近年來，細水霧滅火具有耗水、耗氣量少，滅火效率高，無毒無污染等優點得到廣泛應用。產生細水霧的核心部件噴頭，決定噴霧效果，影響滅火效率。基于此本研究設計一種滅火用氣泡霧化噴頭，可安裝于煤礦井下滅火小車上，避免救援人員近距離接觸火源，適用于礦井初期火災。

1 噴頭結構設計分析及計算

1.1 噴頭結構設計分析

目前氣泡霧化技術廣泛應用于燃燒、制藥、噴涂等領域，本研究設計滅火用氣泡霧化噴頭用于滅火，需滿足如下要求：① 噴霧液滴直徑小于400 μm；② 具有一定保護半徑；③ 足夠的噴霧動量；④ 耗氣耗水量少。此外，隨著氣液比ALR增加霧滴直徑減小，但當ALR=8%時液滴直徑基本不再變小。結合上述要求確定噴頭主要技術參數如下：

噴霧液滴直徑：Dsm≤400 μm；

氣液比：ALR=8%；

噴頭流量：18 L/min；

工作壓力：0.3 MPa；

內液外氣式五噴口噴頭結構如圖1所示。

1.充氣接頭 2.供水接頭 3.連接底座 4.帶孔長管 5.充氣管 6.噴霧頭 7.密封圈 8.噴口圖1 氣泡霧化噴頭結構示意圖

液體和氣體兩相介質從進入到噴出共經歷四個主要階段，每個階段對霧化效果影響的因素不同：① 液體加速階段，進口直徑由流量決定；② 氣體注入階段，注氣孔直徑影響氣泡大小及噴霧速度；③泡狀流產生階段，有孔管長度影響泡狀流演變；④ 噴出階段，噴口直徑、形狀、數量會影響到霧化角度及霧化動量等。

1.2 噴頭關鍵尺寸計算

結合上述分析，本文依據流體力學相關知識、內混式細水霧噴嘴設計方法及相關經驗公式對噴頭的關鍵結構尺寸計算如下：

(1)

Al/A2=6.3ALR

(2)

A3=AL+AA=ML/ρLυ+ML·ALR/ρAυ

(3)

L=(2-6)D

(4)

其中，A1、A2、A3分別為噴頭噴口面積、注氣孔面積及有孔管流通面積；AL、AA為液體、氣體流通面積；ρL、ρA分別為液體、氣體密度；L、D分別為有孔管長度和直徑；ΔpC為混合腔與周圍環境壓差；CL為液體流量系數。

噴頭介質為水，根據Lefebvre等人對大量不同結構噴嘴研究選取CL=0.2，由式(1)、式(2)得出噴口面積A1=79.4 mm2，A2=157.5 mm2，進而得出噴口直徑d1及注氣孔直徑d2；本文近似有孔管內兩相流均勻且流速相等，由式(3)、式(4)確定有孔管面積及有孔管長度。得出噴頭的關鍵尺寸如表1所示。

表1 噴頭關鍵尺寸 mm

2 噴頭的Fluent仿真

選擇其中一個噴口建立有限元模型如圖2所示，流場計算域為直徑200 mm，長度4000 mm的圓柱，經網格劃分形成43609個六面體單元。采用VOF模型，速度入口、壓力出口邊界條件，其中A為入口，B為出口。

圖2 噴口有限元模型

2.1 噴頭內部兩相流流動狀態

設定氣泡為離散相，水為連續相，得出管內氣泡的演變仿真及氣泡粒徑分布如圖3，氣泡進入經過與其他氣泡匯聚變大，由最初0.0019 mm到噴出前0.01 mm。 因此，有孔管長度決定兩相流噴出前的氣泡粒徑及數量，對霧化效果產生影響。

圖3 氣泡粒徑分布

2.2 噴頭下游場噴霧區仿真分析

設定空氣為主相，水為第二相，出口壓力設定為1個標準大氣壓，重力加速度為9.8 m/s2，分別對無擴散口及帶擴散口的噴頭仿真如圖4，噴霧半徑明顯增大且同樣噴霧區域內液滴速度明顯增大，該噴頭采取在噴口處合理增加一定直徑的擴散口如圖1所示。

經仿真分析知液滴在重力及空氣阻力作用下，在2000 mm逐漸向下，結束水平直射。對液滴速度隨噴霧軸向距離的變化仿真如圖5，液滴經噴口加速剛離開噴口處速度最大，由壓力差及空氣阻力原因在距噴口0.5 m時下降到50 m/s，然后隨著噴射距離的增加速度逐漸降低，在軸向噴射距離4000 mm時，速度降為5 m/s。噴霧徑向截面液滴速度分布仿真如圖6，噴霧區中心速度最大，依次向周圍遞減，在計算域邊界處大部分液滴速度為25 m/s， 仍有足夠動量穿透火羽。

圖4 噴口形狀對噴霧效果影響對比(局部圖)

圖5 液滴速度與噴霧距離的關系

圖6 噴霧徑向截面液滴速度分布

因此噴口的有效保護半徑至少為100 mm，該噴頭共有5個噴口，所以總有效保護半徑基本滿足500 mm。

建立有限元模型Z軸為噴霧正方向，在Z=1000 mm 處由仿真分析知該處截面噴霧半徑達到100 mm 即本圓柱體流場計算域的直徑，統計出該截面處液滴直徑分布并作出直方圖如圖7。大部分液滴直徑在125 μm之內，比例約占65%，在250 μm以內的液滴比例基本為90%，該噴頭噴霧液滴直徑基本均在400 μm之內，滿足前述細水霧滅火要求。

圖7 液滴直徑分布直方圖

3 結論

設計了一種滅火用氣泡霧化噴頭，通過Fluent噴霧數值模擬得出如下結論：

(1) 氣泡霧化噴頭霧化效果受噴頭結構影響，合理設計關鍵尺寸有利于提高噴頭霧化能力。

(2) 噴霧液滴速度隨噴霧距離逐漸降低，徑向截面霧滴速度中心較高，依次向周圍降低，該噴頭有效保護半徑500 mm，有效噴射距離4000 mm。

(3) 通過Fluent仿真，對噴頭結構優化提供參考依據，對救援人員合理、有效的滅火具有理論指導意義。

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