三氟甲烷滅火系統壓力變化規律的數值模擬研究

□文/張偉

三氟甲烷滅火系統壓力變化規律的數值模擬研究

□文/張偉

三氟甲烷滅火系統是以潔凈氣體三氟甲烷為滅火劑的哈龍替代滅火系統，具有滅火效率高、滅火速度快、環境污染小等優勢。文章通過CFD方法對其在管道內流動進行三維數值模擬研究，分析了三氟甲烷在管網中的壓力和密度的分布狀況，獲得了三氟甲烷在各個管段的壓力損失狀況，解決了照搬原有舊公式計算壓力損失所帶來的不適應性等難題。

三氟甲烷滅火系統；CFD數值模擬；壓力損失

三氟甲烷滅火系統是近十幾年發展起來的潔凈氣體滅火系統之一，它的滅火性能優良，適用于許多對保護對象安全程度要求高的場所。在工程實踐中，設計者往往需要根據保護區的大小來確定滅火劑的用量和管網的設計，再根據壓力損失情況確定存儲裝置的壓力，保證安全高效地滅火，三氟甲烷滅火劑在管網中的壓力分布狀態和損失情況在整個系統的設計中占有重要地位。本文通過CFD理論，利用FLUENT模擬軟件對三氟甲烷在管網中的狀態進行數值模擬。

1　三氟甲烷滅火系統

三氟甲烷是潔凈氣體滅火劑中沸點低、飽和蒸汽壓高的一種滅火劑且密度較低，僅為空氣的2.4倍左右，非常適合向高樓層和壓力損失較大的復雜管網及時輸送滅火劑撲滅火災。它主要通過化學作用滅火，在火災的高溫中產生的活性基團奪取物質燃燒必需的游離基，中斷燃燒的鏈式反應達到滅火的目的，這個過程非常迅速，滅火速度快、效率高，而且三氟甲烷還具有其他氣體滅火劑不常具備的優勢和特點，如不導電、滅火濃度低、災后無殘留，對臭氧層的耗損潛能值ODP值為0，環保性能好，是國際環保組織和我國正式公布允許使用的幾種潔凈氣體滅火劑之一。作為近幾年來新發展起來的滅火系統，三氟甲烷滅火系統以其自身的優點適應于大多有貴重物品、電信設備和人員活動的場所。如：計算機房、通訊機房、網絡機房、電力控制室、圖書館、檔案館、博物館及電氣設備和資料等防護區。

2　三氟甲烷在管網中的流態假定

在三氟甲烷系統的設計中，三氟甲烷在管網中的流動狀態可以認為是以氣相流為主，忽略液相流，假定的理由如下。

1）三氟甲烷的沸點很低，管道內壁上的液體會瞬間氣化。在氣液兩相流系統中，液體以液膜的形式附著在管壁周圍，當氣體的流速較高時，液膜有可能覆蓋整個圓周，形成環狀流。同時，在垂直上升管和水平管中，當管壁的溫度高到能使液膜汽化時，氣液兩相流動的流行就變為霧狀流型，即氣相中還含有微小的液滴。

三氟甲烷滅火劑在噴放過程中氣壓大，流速高，所以即使有液體被帶入管道，也會形成環狀流的兩相流型，在管壁整個圓周上附著有三氟甲烷的液膜。三氟甲烷的沸點為-82℃，臨界溫度為25.8℃，在常溫下管壁的溫度對于三氟甲烷來說已算是高溫，所以三氟甲烷在常溫下管道內流動形態接近于霧狀流，這時管壁上的液膜都將在短時間內蒸發為氣體，沿著管道向前流動。三氟甲烷在管壁上能夠迅速汽化，所以在管網中流動時，三氟甲烷液體造成的壓力損失所占的比例較小。

2）在只有10 s的噴放時間內，存儲瓶內蒸發的三氟甲烷氣體體積遠遠大于其液態體積。

目前的三氟甲烷儲存瓶都是以質量做為填充標準，以規格為70 L、充裝比為1.5、三氟甲烷質量為46 kg的單個存儲瓶為例，在20℃標準大氣壓下，三氟甲烷的液態密度為806.6 kg/m3，氣體密度約為2.8 kg/m3，則存儲瓶內液態總體積

所以V氣=280V液

在短短10 s的噴放時間中，噴出的三氟甲烷氣體體積是液體體積的280倍。

所以，可以認為三氟甲烷的噴放過程是一個三氟甲烷在存儲瓶內不斷蒸發，然后氣體進入管道中充滿管網的過程，期間氣體體積在管網中占據了絕對大的空間，即使噴放時從存儲瓶中帶出了一部分液體到管道中，這些液體也會在很短時間和很短距離內快速揮發為氣體沿著管道繼續向前流動，流動的推動力來自三氟甲烷存儲瓶內不斷揮發的非常高的飽和蒸汽壓力。由于單個存儲瓶內三氟甲烷完全揮發為氣體的體積遠大于液體體積并在極短的時間完成這個過程，所以在管網中流動時，液態三氟甲烷的影響較小，整個管網充滿的幾乎是氣體三氟甲烷，造成壓力損失的也主要是氣體，所以在研究時可以考慮采用氣體單相流的設計思路。

3　計算模型

3.1模型的建立與網格的劃分

本研究所用的三氟甲烷系統的簡化裝置來自塘沽某建筑物滅火系統，裝置模型見圖1。

存儲瓶90 L，滅火劑用量64 kg，充裝比為1.4 L/kg，噴放時間10 s，管網為鋼管，AB段管徑DN40 mm，BC段管徑DN32 mm，噴頭為22號。附件當量長度：連接管0.6 m、單向閥3.6 m、選擇閥6 m、逆止閥0.6 m、彎頭（DN40 mm）1.6 m、彎頭（DN32 mm）1.4 m、轉彎直管部分0.9 m、轉彎支管部分3.1 m。

本研究的目標是建立三氟甲烷在管網內的壓力模擬方法，因此抽象裝置時只需建立管網的模型。本研究中建立壓力模擬的模型時，考慮到管道模型具有對稱性和規則性，建立一個三維的物理模型，為便于模擬，對管網進行了必要的簡化。將彎頭、轉接管、閥門等轉化為其當量長度并在長度上，見圖2。

圖1　三氟甲烷系統裝置

圖2　簡化計算模型

將模型導入Gambit中進行網格劃分，采用六面體/鍥形結構網格。

3.2模型的設置及邊界條件

管網中的流動為非定常流動且壓力和流速都較大，因此本研究可視三氟甲烷為可壓縮氣體，各處的密度有所不同，不計重力。連續性方程、動量方程及能量方程聯立耦合求解。模型本身并不復雜，采用具有穩定性、經濟性且計算精度比較高的標準模型作為湍流模型湍動模型。標準模型是一種高雷諾（Re）數模型，即是針對湍流發展非常充分的湍流流動而建立的模型。但是，對于湍流發展并不充分的近壁區，湍流的脈動影響可能不如分子粘性的影響大，在更貼近壁面的底層內，流動可能處于層流狀態。標準模型在這些區內使用會產生模擬不準確問題。為解決這個問題，采用壁面函數法處理固壁邊界。進口邊界條件設為質量流的形式，本試驗滅火劑質量為64 kg，噴放時間為10 s，則Q=0.95× 64/10=6（kg/s）。出口壓力邊界條件，根據國內一些地方規范規定三氟甲烷滅火系統噴口最低工作壓力，設為1.4 MPa。壓力—速度耦合求解，壓力項采用PRESTO格式離散，對流項采用QUICK格式離散，湍流耗散項采用二階迎風格式離散求解。

4　模擬結果與分析

4.1壓力場

從圖3中可以很清楚地得到管道各點的壓力變化情況。壁面總壓沿整個流動方向呈遞減趨勢。管道底部質量進口的平均總壓為2.87 MPa，頂部的壓力出口的平均總壓為1.71 MPa，管道總長為24 m，進出口壓力總損失為1.16 MPa。

圖3　管道三維壁面壓力

從圖4a可見，在進口直管內部總壓的分布呈現對稱性；直管內的軸心壓力大于管壁壓力且平均總壓沿程遞減。原因可能是，隨著氣體的不斷流動，管壁邊界層對氣流產生流動阻力，使得管壁周圍的壓力首先減小并通過氣體粘性的作用將這種影響逐層地向管道軸心方向傳遞，所以，在流動持續一段距離后，軸線處始終保持的進口總壓力在某個橫截面也將減小至與管壁相同的壓力，這時管內的壓力又將以一個值均勻地分布在管道內，出現上述進口處的分布狀況。

彎頭內部的壓力分布情況見圖4b，彎頭前的直管總壓對稱分布，壁面處總壓較小；彎頭中的總壓分布在管壁很小的厚度內壓力相同并小于軸心處壓力；管道內壁的等壓層的厚度為進口處小于出口處，管道外壁情況相反；彎頭后的一段距離內管道總壓分布對稱，管道上壁壓力大，靠近彎頭內壁出口處的壓力低；隨著氣體的流動，這種情況逐漸消失，又恢復直管內的總壓分布狀況，即分布對稱、平均壓力沿程遞減以及軸心壓力高于壁面壓力。這可能是由于管道中的氣流經過彎頭時出現邊界層分離現象，即氣流進入彎頭后，在離心力的作用下管軸線中心的高壓高速氣體向彎頭外壁方向擠壓，與彎頭內壁的低速氣流產生流動分離，擠壓外壁低速氣流，所以外壁氣流層厚度逐漸變小至消失，內壁氣流層厚度增大并且管壁周圍氣流的壓力幾乎相等，形成同等壓力的等壓層。若中心氣流速度很大，在彎頭內壁處還可能出現多個低壓氣流等壓層并且越靠近管軸中心的壓力層的壓力越大。

從圖4c可見管網出口處彎頭內部也出現流動分離現象，但是彎頭后的直管段長度很短，流動分離現象不能消失，所以在管網末端的噴頭處仍將受到其影響，即末端直管道外壁壓力大于管道內壁并在其間形成多個同等壓力層，在噴嘴上方的管段內呈現出3個不同的壓力層，壓力大小由內向外增大。

圖4　管道二維軸心剖面壓力分布

4.2密度場

直管內氣體密度在整個管段呈減小趨勢。管網底部質量入口截面的平均密度為77.5 kg/m3；第一個彎頭B進口截面的平均密度為73.25 kg/m3，出口處截面的平均密度為73.05 kg/m3，密度逐漸減小；到壓力出口截面處時，平均密度減小到40.88 kg/m3。所以在24 m長的管段中，氣體的密度減少了一半左右。圖5a可見進口直管內氣體密度均勻分布，不同于直管內壓的分布，管道內各截面上的密度保持一致，軸線中心的密度與管壁處的密度相同。管內局部彎頭和出口彎頭處密度分布有一致特征（圖5b和5c）：外壁處密度最大，形成一個具有一定厚度的高密度層；這個密度層的密度大于彎頭兩側的直管密度。彎頭內壁處密度最小，也形成一個有一定厚度的低密度層，密度層的密度低于彎頭兩側的直管密度且內外壁中間沒有一個過渡的密度層，中間層的密度接近于彎頭兩側的直管密度。

圖5　管道二維軸心剖面密度分布

4.3模擬狀況總結

通過以上的模擬，得到了管網內部壓力場和密度場的分布狀況。

4.3.1壓力場

1）進口直管內部軸心剖面的總壓分布狀況呈現對稱性、軸心壓力大于管壁壓力和平均總壓沿程遞減的特點。

2）彎頭內部的總壓分布狀況由于存在氣流的邊界層分離現象，內壁存在多個總壓等壓層，越靠近外壁壓力大小越大；管道內壁的等壓層厚度隨流動逐漸增大，而管道外壁情況相反，等壓層厚度逐漸減小至消失。

3）出口管段內總壓分布受邊界層分離現象影響，在噴嘴上方直管內出現出3個不同的壓力層，壓力大小由內向外增大。

4.3.2密度場

1）進口直管內氣體密度分布狀況為密度均勻分布并在整個管段內呈減小趨勢。

2）彎頭內部密度分布存在多個等密度層，越靠近管道外壁，等壓層密度越大。

3）管網末端管道內密度分布相似于進口直管內的密度分布狀況，即均勻分布并在整個管段內呈減小趨勢。

5　結論

通過管網壓力場模擬結果，在保證末端壓力＞1.4 MPa的同時，依據各段壓力值可確定各段管道、噴頭和泄壓口的型號，同時可以校核管網管徑大小滿足流量需求，確定起始壓力值約2.9 MPa。通過密度場模擬結果，可以得單體覆蓋區域設計濃度。通過整體防護區域劃分及凈容積的劃分，可以選擇及合理布置滅火劑數量及布置方位。最后，使得整體區域都有效地被滅火系統覆蓋，達到施工驗收的技術要求及標準。

對于圖書館、檔案館、博物館等以A類火災為主的防護區，滅火設計濃度采用19.5%；計算機房、通訊機房、油浸變壓室、配電室等以電器類火災或B類火災為主的防護區、滅火設計濃度采用15.6%。系統設計一般采用全淹沒方式，通過管網系統和預制裝置，將整體防護區覆蓋。

TU998.1

C

1008-3197（2016）03-11-04

2016-01-10

張偉/男，1987年出生，助理工程師，天津市市政工程設計研究院，從事工程設計工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.03.005