固定式壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真研究

葉剛 楊振 高旭輝 肖亮

摘要：運(yùn)用AMESim仿真軟件建立仿真模型，驗(yàn)證了壓縮空氣泡沫固定式系統(tǒng)應(yīng)用的可行性，并對(duì)影響固定式壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)的主導(dǎo)因素進(jìn)行了分析研究。分析結(jié)果表明：模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)論具有一定的相似性;系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)中可忽略泡沫原液粘度的影響;泡沫混合比、氣液比、管網(wǎng)管徑等相關(guān)因素對(duì)系統(tǒng)工作性能的影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，整個(gè)系統(tǒng)管網(wǎng)壓力損失隨泡沫混合比提高、氣液比提高、管網(wǎng)管徑變小而增大;模擬方式對(duì)系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：消防;壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng);AMESim仿真;管網(wǎng)壓力損失

1? 簡(jiǎn)介

LMS Imagine.lab AMESim（以下簡(jiǎn)稱AMESim）是法國(guó)公司IMAGINE于1995年推出的基于鍵合圖的液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件。其能夠優(yōu)化機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、熱和電子電氣系統(tǒng)間的復(fù)雜交互作用，支持工程師對(duì)關(guān)鍵功能的主動(dòng)設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的整體性能和品質(zhì)，避免主要設(shè)計(jì)缺陷。由于壓縮空氣泡沫系統(tǒng)所具有的機(jī)械、液壓、控制、氣動(dòng)等多學(xué)科內(nèi)容的特性，一般建模仿真軟件是難以解決的，而AMESim對(duì)于應(yīng)對(duì)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的復(fù)雜性以及多領(lǐng)域集成的系統(tǒng)特性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使它成為壓縮空氣泡沫系統(tǒng)仿真的理想平臺(tái)。

2? 系統(tǒng)仿真模型

在AMESim中建立壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)的仿真模型時(shí)，首先要選取水、泡沫和空氣的仿真模型，本文選取模型如圖1所示，其中模型名稱后括號(hào)內(nèi)代表的是在軟件中所選擇的模型類型，在AMESim的模型庫(kù)中可以直接選取氣體模型和液體模型，隨后進(jìn)行液體模型與氣體模型的參數(shù)設(shè)定。對(duì)于液體來(lái)說(shuō)需要設(shè)定的參數(shù)有水和泡沫液的密度、溫度、體積彈性模量、絕對(duì)粘度等參數(shù)，氣體需要設(shè)定的參數(shù)有定壓比熱、定容比熱、比熱比、理想氣體常數(shù)、絕對(duì)粘度等參數(shù)。在壓縮空氣泡沫系統(tǒng)模擬的過程中由于氣體流量相對(duì)于液體流量較大，而且水和泡沫的溫度相差不大，因此不考慮溫度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)流動(dòng)過程的影響，默認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)回路的溫度保持不變，所以絕對(duì)粘度、定壓比熱等參數(shù)可以按常數(shù)處理[1]。

2.1? 液體模型

在流體特性模型中，水與泡沫都選擇了FP04子模型，該子模型給出了7種不同類型的流體屬性（最簡(jiǎn)屬性、基礎(chǔ)屬性、高級(jí)屬性、表格高級(jí)屬性、絕熱屬性、帶有運(yùn)動(dòng)粘度計(jì)算的基礎(chǔ)屬性、帶有運(yùn)動(dòng)粘度計(jì)算的高級(jí)屬性），每種類型都有特定的性質(zhì)，而且每一種都會(huì)比上一種更加復(fù)雜，由于在壓縮空氣泡沫系統(tǒng)中對(duì)于流體模型的精度要求并不是很高，因而選用最簡(jiǎn)單的流體性質(zhì)，在該軟件中的FP04最簡(jiǎn)模型可以通過設(shè)置粘度、密度等物性參數(shù)將管道內(nèi)的流體與實(shí)驗(yàn)過程中所使用的泡沫流體做近似處理，流體的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示[2]。

2.2? 氣體模型

AMESim提供了多種常用氣體模型，如氧氣、氦氣、氮?dú)狻⒀鯕狻⒓自骸N類等。由于系統(tǒng)中液體流量較大，因而溫度對(duì)系統(tǒng)的影響較小，水、泡沫的溫度跨度不大，因此不考慮溫度對(duì)流體特性的影響，其絕對(duì)粘度、定壓比熱等參數(shù)可以按常數(shù)處理，同時(shí)在整個(gè)流體回路中各處的溫度保持不變。因此在氣體特性模型中，將空氣看作是理想氣體，選取PNGD-AIR子模型，定壓比熱、定容比熱、比熱比、理想氣體常數(shù)、絕對(duì)粘度等參數(shù)的設(shè)置如表2所示。

2.3? 管道系統(tǒng)模型

AMESim中的管道模型的建立就是在兩個(gè)模型之間連接管道，管道子模型的選擇根據(jù)管道兩側(cè)液壓模塊子模型的不同、管道中流動(dòng)的流體的物性參數(shù)相關(guān)設(shè)置的影響可提供選擇的管道子模型也不相同。流體在管道中流動(dòng)情況復(fù)雜，需要考慮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程氣體管道的可壓縮性、壓力摩擦損失以及液體管道中的摩擦損失。AMESim提供了多種流體管道的子模型可供選擇，包含可以獨(dú)立或者同時(shí)考慮了壓縮（容性，壓力計(jì)算）、摩擦（阻性，沿程壓力損失）和慣性（慣性，波動(dòng)效應(yīng)）等因素的模型。在選取合適的管道模型主要考慮摩擦損失以及流體的慣性（波動(dòng)效應(yīng)）兩個(gè)參數(shù)[3]。

2.3.1? 波動(dòng)傳播時(shí)間T1

式中，L-管道長(zhǎng)度，m;

α-流體流速，m/s。

該參數(shù)與仿真通信時(shí)間相比決定是否考慮波動(dòng)效應(yīng)。

2.3.2? 摩擦損失N

式中，D-管道內(nèi)徑，mm;

ν-流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m2/s。

該參數(shù)決定是否要考慮摩擦損失，當(dāng)遠(yuǎn)大于1時(shí)，說(shuō)明管道的粘性摩擦損失占主要地位。

（1）液體管道模型的選擇

由壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)工作過程可知，主要考慮的參數(shù)為摩擦壓力損失，因此選擇HL0001管道子模型，如圖2所示。

圖2中p2、q1是管道的輸入?yún)?shù)，q2、p1是管道的輸出參數(shù)。管道的相對(duì)粗糙度計(jì)算如下：

式中，Δ-管道等效均勻粗糙度;

Diam-管道的水力直徑，mm。

計(jì)算端口1的壓力導(dǎo)數(shù)基本公式如下：

式中，A-管道的截面積，m2;

B-流體的體積彈性模量，Pa;

Q-進(jìn)入管道的流量，m?/s;

x-管道長(zhǎng)度，m。

計(jì)算管道出口流速基本公式如下：

式中，ν-液體流速，m/s;

P-流體密度，kg/m?;

ΔP-壓降，Pa;

θ-管道傾斜角，°;

ff-摩擦因數(shù)。

HL0001是管道的集總參數(shù)子模型，通過使用有效體積模量考慮流體的可壓縮性和管/軟管壁隨壓力膨脹，適用于考慮壓縮性和摩擦力系統(tǒng)的一般模擬，還可計(jì)算平均流速和雷諾數(shù)。

（2）氣體管道模型的選擇

在壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)中，將空氣看為理想氣體，考慮空氣的壓縮性與管道的摩擦，在AMESim中選用PNL0000子模型最符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)條件，如圖3所示。

管道端口1的流量計(jì)算基本公式為：

PNL0000是氣動(dòng)管道或軟管的集總參數(shù)子模型，在每個(gè)端口輸入并壓力和溫度，計(jì)算以g/s為單位的質(zhì)量流量和以J/s為單位的焓流量的輸出。

（3）泵及接頭組件模型的選擇

根據(jù)實(shí)際中泵的相關(guān)參數(shù)選取子模型PU001，PU001是理想的液壓泵，沒有流量損失或機(jī)械損失，流量?jī)H由軸速度、泵排量和進(jìn)氣口壓力（通常為端口1）決定，如果進(jìn)氣口處有空氣釋放或氣穴現(xiàn)象，則流速會(huì)降低，該子模型可用于固定排量液壓泵的一般模擬，如圖4所示。

端口2的出口流量計(jì)算基本公式如下：

其中參數(shù)“泵的典型速度”（wtyp）用于確定傳動(dòng)的速度范圍，ρ（press）/ρ（0）是密度比率，用效用函數(shù)即可進(jìn)行計(jì)算。泡沫泵與空氣泵子模型的選取與水泵子模型一致，不同的在于轉(zhuǎn)速排水量等參數(shù)的設(shè)置。

由于在AMESim模型庫(kù)中沒有噴頭，因此本文在研究過程中在混合段與出口處都選用T型接頭來(lái)代替，通過計(jì)算出口截面積，在T型接頭處做等效處理完成模擬過程，這樣可以通過觀察T型進(jìn)出口流體的流速來(lái)觀察揚(yáng)程等相關(guān)數(shù)據(jù)，最后根據(jù)流體特性參數(shù)選取子模型HR3P03，該子模型可以通過設(shè)置角度來(lái)改變混合處流體的入口方向，如圖5所示。

3? 系統(tǒng)建模

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)模型可以分為兩部分，泡沫混合系統(tǒng)和氣液混合系統(tǒng)。泡沫混合系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)泡沫滅火關(guān)鍵系統(tǒng)，泡沫與水混合的好壞直接影響壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的滅火效果，所以在泡沫混合系統(tǒng)中要注意泡沫管道的壓力應(yīng)不小于水管道壓力，這樣可以保證泡沫液能夠注入到水中與水混合;氣液混合系統(tǒng)中壓縮空氣的主要作用是與泡沫混合液充分混合生成泡沫，同時(shí)為泡沫提供動(dòng)力源，提高泡沫噴射的揚(yáng)程，所以為了使空氣能夠與泡沫混合液完成混合，空氣出口壓力要略高于泡沫混合液的壓力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)管道布置圖以及上述子模型的選擇，搭建了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)如圖6所示。

圖6? 壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)仿真模型示意圖

模型說(shuō)明：泡沫混合系統(tǒng)的部分，泡沫與水的子模型都選取的FP04，區(qū)別在于水與泡沫的物性參數(shù)的設(shè)置不同;水泵與泡沫泵都選用定排量液壓泵代替，與水泵和泡沫泵相連的電機(jī)均為定轉(zhuǎn)速的原動(dòng)機(jī)模型，其速度與轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān);氣液混合系統(tǒng)的部分，氣體子模型選取的是PNGD-AIR，在氣液混合處選取了一個(gè)PNVS003-1的子模型，該模型可以將氣動(dòng)變量轉(zhuǎn)化為信號(hào)變量的模型，即將氣體注入液體的過程采用了信號(hào)傳遞的方式，將空氣的質(zhì)量流量作為信號(hào)通入液體管道中，在仿真過程中，最終空氣與水的混合過程軟件認(rèn)為是水與水的混合，混合時(shí)我們需要將混合過程看做一定流量的空氣與一定流量的水的混合。

4? 仿真結(jié)果

4.1? 實(shí)驗(yàn)工況

參數(shù)設(shè)置：水、泡沫、空氣的物性參數(shù)均按照表1、表2設(shè)置，管道的直徑按照實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，由于在出口處用T型接頭代替了噴頭，所以通過計(jì)算噴頭出口總面積來(lái)確定T型接頭的管徑，計(jì)算后T型接頭的管徑設(shè)置為16mm，泡沫混合比為3%，氣液比為8∶1，水的流量設(shè)置為600L/min，泡沫流量設(shè)置為18L/min，仿真時(shí)間設(shè)置為120s，時(shí)間間隔設(shè)置為1s，仿真結(jié)果如表3所示，其中出口壓力取噴頭9的壓力值，12個(gè)噴頭仿真結(jié)果的流量以及壓力如表4所示[4]。

由表3可知，在氣液混合點(diǎn)的壓力值為0.69MPa，在實(shí)驗(yàn)水壓與氣壓數(shù)值之間，噴頭9的出口壓力為0.1537MPa，與實(shí)驗(yàn)數(shù)值0.2MPa接近，流量的大小、比例均符合實(shí)驗(yàn)工況。由表4可知，管道最不利環(huán)路在噴頭9，流量壓力參數(shù)也符合標(biāo)準(zhǔn)，另有水、泡沫、空氣和混合流量曲線變化圖（見圖7）以及混合液流量與壓力曲線圖（見圖8）。

由圖8可知，系統(tǒng)中各點(diǎn)流量均能按照設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算并且能夠很好地反映壓力與流量的變化。

4.2? 泡沫混合比對(duì)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的影響

在系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)中給出了泡沫混合比為1%、2%、3%、

6%，氣液比為8：1以及其他參數(shù)均保持不變，只根據(jù)水流量600L/min和泡沫混合比的變化來(lái)確定泡沫的流量，仿真結(jié)果參數(shù)如表5所示。

由表5可得出混合點(diǎn)到噴頭9的壓力損失與泡沫混合比關(guān)系曲線如圖9。由圖9中可知隨著泡沫混合液中泡沫的比例不斷增加，混合點(diǎn)到噴頭9最不利環(huán)路的壓力損失逐漸增大，這是因?yàn)榕菽扯纫人恼扯却螅栽诨旌弦褐信菽蕉啵旌虾罅黧w粘度越大，流動(dòng)過程中受到的阻力增大，加大管道中壓力損失。

4.3? 氣液比對(duì)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的影響

在壓縮空氣泡沫系統(tǒng)中，泡沫流量在混合液中占有的比例較小，當(dāng)改變氣液比時(shí)系統(tǒng)的壓力損失變化由圖10觀察變化還是較為明顯的，改變泡沫混合比時(shí)氣液比為3：1，氣體的流量在整個(gè)系統(tǒng)中占了較大一部分，所以可以改變氣液比來(lái)觀察對(duì)系統(tǒng)中流量以及壓力的影響，其他相關(guān)參數(shù)均保持不變，水流量600L/min，泡沫流量18L/min，改變氣液比為6：1和9：1，即氣體流量分別為3600L/min和5400L/min左右進(jìn)行仿真模擬，仿真結(jié)果參數(shù)如表6所示。

由表6可得最不利環(huán)路壓力損失與氣液比變化曲線圖（如圖10所示）。由圖10可以看出，隨著氣液比的提高，最不利環(huán)路的壓力損失也在增加，且壓力損失的數(shù)值變化要遠(yuǎn)大于泡沫混合比的變化，這是因?yàn)樵跉庖夯旌虾螅S著氣體流量的增加，對(duì)在管道內(nèi)液體的流動(dòng)增加了阻力，導(dǎo)致了壓力損失的增加。

4.4? 泡沫液粘度的變化對(duì)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的影響

通過在網(wǎng)上查得的資料及相關(guān)文獻(xiàn)顯示，泡沫液粘度也是有所區(qū)別的，目前已知最高泡沫液粘度取值為40cP，最低取值為10cP，在保證泡沫混合比、氣液比等相關(guān)參數(shù)均保持不變的條件下只改變泡沫液的粘度觀察對(duì)壓縮空氣泡沫混合系統(tǒng)的影響，分別設(shè)置泡沫液粘度為10cP、18.7cP、40cP來(lái)觀察對(duì)混合點(diǎn)壓力的影響，仿真結(jié)果參數(shù)如表7所示。

由表7可以看出，改變泡沫粘度對(duì)于整體系統(tǒng)壓力影響并不是很大，所以在衡量比較對(duì)壓縮空氣泡沫混合系統(tǒng)的影響因素是可以不必考慮泡沫粘度的影響。

4.5? 管網(wǎng)管徑的變化對(duì)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的影響

由實(shí)驗(yàn)管道布置得知最不利環(huán)路管道長(zhǎng)度有122m左右，所以管道管徑的變化對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)壓力損失的變化影響較大，有必要通過仿真模擬不同管徑的變化對(duì)壓力損失的影響趨勢(shì)。由于實(shí)驗(yàn)管道管徑由混合點(diǎn)開始到管道分支之前管徑為80mm，管道分支后的管徑為65mm，在進(jìn)行仿真模擬參數(shù)設(shè)置時(shí)，設(shè)置了3種工況，分別將全管道設(shè)置為直徑65mm、80mm、100mm進(jìn)行計(jì)算，其他參數(shù)設(shè)置均保持跟實(shí)驗(yàn)工況一致，具體仿真結(jié)果參數(shù)如表8所示。

由表8可得管徑與壓力損失關(guān)系曲線如圖11所示。由圖11可知隨著管網(wǎng)管徑的增大，系統(tǒng)壓力損失逐漸變小，且從圖中也可看出管徑變化對(duì)壓力損失的影響較大。

5? 結(jié)語(yǔ)

（1）通過AMESim軟件對(duì)壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，經(jīng)數(shù)據(jù)參數(shù)對(duì)比，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)論較為接近。

（2）分析了泡沫混合比、氣液比、泡沫液粘度、管網(wǎng)管徑四種因素對(duì)壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)管網(wǎng)壓損的影響。結(jié)果表明：泡沫液粘度的影響可以忽略，且隨著泡沫混合比、氣液比的提高，管網(wǎng)管徑的變小，整個(gè)系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力有所提高，同時(shí)也會(huì)增大管網(wǎng)的壓力損失。

參考文獻(xiàn)：

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Researches on simulated design of fixed

compressed air foam extinguishing system

Ye Gang， Yang Zhen， Gao Xuhui， Xiao Liang

CSSC Jiujiang Changan Fire Fighting Equipment CO.， LTD.

Abstract： In this paper， a simulation model is built to verify the feasibility of fixed compress air foam extinguishing system with the help of AMESim Software. Researchers analyzed the main contributing factors on engineering design of the protection system， found that the simulation results are similar to the experimental results and the influence of the viscosity of foam liquid can be ignored in the system engineering design; The influence of foam mixing ratio， gas-liquid ratio， pipe network diameter and other related factors on the system performance is regular; The pressure loss of the whole system pipe network increases with the increase of foam mixing ratio， gas-liquid ratio and pipe network diameter; The simulation method has guiding significance to the engineering design of the system.

Keywords：fire protection; compressed air foam extinguishing system; AMESim simulation; pipeline pressure loss