某艦用扇形噴頭流量特性試驗(yàn)

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(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015)

艙壁噴淋作為一種常見的艦船消防手段，主要用于在重要艙室的鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，向本艙艙壁實(shí)施消防水噴淋，降低艙壁溫度，隔離熱傳導(dǎo)，降低鄰艙火災(zāi)對(duì)本艙的影響。噴頭是噴淋系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其流量特性直接影響其滅火降溫及冷卻隔離效果。有學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)研究船用高壓細(xì)水霧噴頭的流量特性與滅火效果之間的關(guān)系，分析了壓力及結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)滅火效能的影響[1]。通過(guò)試驗(yàn)，研究噴頭流量與氣液比及混合室內(nèi)流型等物理結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系，推導(dǎo)出噴頭臨界流量公式[2]。通過(guò)試驗(yàn)研究霧化細(xì)水霧噴頭的流量與進(jìn)液口壓力之間的關(guān)系，確定了流量與壓力之間的變化規(guī)律，分析噴頭進(jìn)液口、注氣孔口、噴口和旋流芯等內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性對(duì)流量的影響規(guī)律[3]。有學(xué)者對(duì)噴頭流量特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析壓降、氣液比、壓力比對(duì)流量特性的影響，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出噴淋氣液比與流量系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式[4]。利用統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)噴頭流量特性試驗(yàn)的不確定度進(jìn)行了分析研究[5]。采用水和空氣混合的方法對(duì)氣液兩相流進(jìn)行模擬試驗(yàn)，確定分層流動(dòng)模型更適用于噴頭的流量特性研究，并明確了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴頭流量特性的影響規(guī)律[6]。還有學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)研究指出噴嘴流量特性規(guī)律主要由氣液比和雷諾數(shù)決定，噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴嘴流量特性有較大影響[7-12]。

文中選取一種常見的縫隙式扇形噴頭進(jìn)行研究，分別對(duì)3種不同縫隙寬度的艙壁噴頭進(jìn)行試驗(yàn)，獲取不同壓力下的流量和噴淋角度，分析其流量特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，為類似艙壁噴頭的設(shè)計(jì)和選型提供支撐。

1 噴頭特性分析

1.1 噴頭結(jié)構(gòu)特性分析

艙壁噴頭結(jié)構(gòu)見圖1，噴頭圓柱體上開設(shè)有一定角度和寬度的縫隙，消防水通過(guò)該縫隙后形成射流扇形水幕，作用在艙壁上進(jìn)行噴淋降溫。噴頭結(jié)構(gòu)特性參數(shù)主要有縫隙寬度、縫隙長(zhǎng)度、縫隙厚度、開口角度及接口通徑等，其中縫隙長(zhǎng)度由扇形開口角度決定。3種噴頭的相關(guān)參數(shù)見表1。由表1可知，3種噴頭中不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)是縫隙寬度。文中主要研究不同縫隙寬度下艙壁噴頭的流量特性。

圖1 扇形噴頭

1.2 噴頭流量特性分析

噴頭流量相關(guān)特性參數(shù)主要有流量、噴淋角度、作用半徑、噴淋強(qiáng)度。其中噴淋強(qiáng)度是單位長(zhǎng)度上的消防水流量，由流量及噴淋作用半徑?jīng)Q定；作用半徑是距離噴頭一定距離處的噴頭噴淋覆蓋范圍(近似為一條線)的一半，由噴淋角度決定。噴淋角度理論上應(yīng)和噴頭開口角度保持一致。

表1 噴頭主要特征參數(shù)

文中的艙壁噴頭為縫隙式扇形噴頭，對(duì)照小孔流量和縫隙流動(dòng)的定義，噴頭流量的計(jì)算可近似為流經(jīng)固定平板縫隙流量的計(jì)算公式。

式中:b為縫隙長(zhǎng)度；h為縫隙寬度(與水流方向垂直的邊)；l為縫隙厚度(與水流方向平行的邊)；μ為黏度，常數(shù)；Δp為縫隙兩端的壓差。

由流量理論計(jì)算公式可知，艙壁噴頭流量與壓差Δp成正比，與縫隙長(zhǎng)度b及縫隙寬度的三次方h3成正比，與縫隙厚度l成反比。

2 噴頭流量特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)測(cè)試的噴頭流量特性主要有流量、噴淋角度和噴淋作用半徑等參數(shù)。

噴淋流量的測(cè)量試驗(yàn)回路見圖2，其工作原理是高壓水泵為試驗(yàn)提供一定壓力的消防水，通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)噴頭進(jìn)口壓力，利用流量計(jì)和壓力表測(cè)量噴頭流量及壓力。

圖2 噴頭流量測(cè)試原理

噴淋角度測(cè)試試驗(yàn)回路見圖3，其工作原理是高壓水泵為試驗(yàn)提供一定壓力的消防水，通過(guò)溢流閥調(diào)節(jié)噴頭進(jìn)口壓力，利用流量計(jì)和壓力表測(cè)量噴頭流量及壓力，利用高速攝像機(jī)取樣拍攝噴霧情況，利用計(jì)算機(jī)軟件量取噴淋角度。扇形噴頭的噴淋區(qū)域?yàn)榫匦危瑖娏苄Ч妶D4，而其短邊較短，可將其近似為一條線。試驗(yàn)中選取距離噴頭1 m處的噴淋區(qū)域的一半為作用半徑。由圖3可知，噴頭作用半徑可通過(guò)噴淋角度計(jì)算得出，其關(guān)系式為

L=Htan(α/2)

式中：L為作用半徑；H為噴頭到截面的距離，H=1 m；α為噴淋角度。

圖3 噴頭噴淋角度及作用半徑測(cè)試原理

圖4 噴頭噴淋效果

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

噴頭流量與壓力之間的關(guān)系見圖5。

圖5 噴頭流量與壓力關(guān)系

由圖5可知，3種噴頭的流量與壓力曲線可近似為一條直線，即流量與壓力成正比，與縫隙流動(dòng)流量的理論計(jì)算公式一致。

噴頭流量和縫隙寬度三次方之比(qv/h3)與壓力的關(guān)系見圖6。

由圖6可知，單個(gè)噴頭的流量和縫隙寬度三次方之比與壓力成正比，與理論計(jì)算公式一致。由理論計(jì)算公式可知，qv/h3=(b/12μl)Δp，3個(gè)噴頭的縫隙長(zhǎng)度b和縫隙厚度l相同，理論上圖6中3條曲線的斜率應(yīng)相同，但圖中卻明顯不同。

分析認(rèn)為出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是縫隙較小的情況下，由于摩擦等因素，導(dǎo)致實(shí)際通流的縫隙寬度較小，實(shí)際通流的縫隙長(zhǎng)度也較小，從而影響其通流的流量。為驗(yàn)證上述分析，對(duì)噴頭的噴淋角度進(jìn)行測(cè)試，噴頭噴淋角度與壓力之間的關(guān)系曲線見圖7。

圖7 噴頭噴淋角度與壓力關(guān)系圖

由圖7可知，壓力變化時(shí)噴淋角度基本保持不變，1#噴頭的噴淋角度約為95°，2#噴頭的噴淋角度約為113°，3#噴頭的噴淋角度約為120°。分析上述試驗(yàn)結(jié)果可知，只有3#噴頭的噴淋角度與其理論噴淋角度保持一致，在噴頭縫隙較小時(shí)，實(shí)際噴淋角度小于其理論噴淋角度，實(shí)際通流的縫隙寬度也要小于其理論通流的縫隙寬度，造成其流量與理論計(jì)算不一致。因此，在后續(xù)扇形噴頭設(shè)計(jì)中，需首先保證噴頭縫隙寬度，可通過(guò)調(diào)節(jié)縫隙開口角度來(lái)改變縫隙長(zhǎng)度，在保持縫隙開口角度不變的條件下，可調(diào)節(jié)噴頭內(nèi)腔的直徑，改變縫隙長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)流量的系列化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

1)不論艙壁噴頭縫隙寬度的大小，艙壁噴頭的流量與壓力成正比。

2)噴淋角度與噴淋壓力基本無(wú)關(guān)，與噴頭的縫隙寬度關(guān)系較大，縫隙寬度越大其噴淋角度越接近其實(shí)際開口角度。

3)艙壁噴頭在縫隙寬度較小時(shí)，其噴淋角度要小于其實(shí)際開口角度，從而導(dǎo)致噴頭的實(shí)際流量與理論計(jì)算存在較大差距，噴淋效果難以滿足預(yù)期。

4)在設(shè)計(jì)類似艙壁噴頭時(shí)應(yīng)考慮將縫隙寬度設(shè)計(jì)較大，通過(guò)縫隙長(zhǎng)度的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)噴淋流量的系列化。