壓縮空氣泡沫流動壓力降研究

2022-05-31 02:18:06劉金革陳宇曦石祥建李建鴻

天津科技 2022年5期

劉金革，陳宇曦，韓焦，石祥建，李建鴻

(1. 常州博瑞電力自動化設備有限公司江蘇常州 213025；2. 南京南瑞繼保電氣有限公司江蘇南京 211102)

0 引言

隨著社會經濟的迅速發展，消防安全備受關注，消防產品和滅火方式也逐漸精細化。壓縮空氣泡沫滅火技術是一種新型的滅火技術，與傳統負壓式泡沫滅火技術相比，其通過往泡沫混合液中注入壓縮空氣，產生的泡沫具有結構更細膩均勻、穩定性更高等特點，且壓縮空氣泡沫具有低摩擦阻力、發泡倍數可控的特點，可根據不同的保護對象調整適宜的發泡倍數和泡沫狀態，不僅適用于森林防火和高層建筑滅火等A類火災，而且對油罐、變壓器等B類火災也有很好的適用性。

壓縮空氣泡沫滅火系統由發生裝置、釋放裝置、連接管道等組成，按結構形式可分為移動式、固定式和半固定式3種型式，其中固定式的發生裝置與滅火對象位置相對固定，且與釋放裝置之間需要通過很長的管道連接。因此，研究壓縮空氣泡沫在管道中的壓力降可有效指導系統設計選型并保障系統安全可靠運行。

壓縮空氣泡沫在管道中是一種可壓縮的非牛頓流體，涉及氣液兩相流。一般地，兩相流相對于單相流要復雜得多，流動壓力降也比相同質量流速的單相流大很多，因為單相流過程的能耗主要由流體與管壁摩擦造成，而氣液兩相流除了與管壁摩擦產生能耗外，氣液兩相間也存在摩擦損耗，所以存在較大的分析難度[1-3]。陳旸等[4]試驗研究了泡沫輸送流量、氣液比等對泡沫輸送管路壓力變化的影響規律。吳東垠[5]研究了氣液兩相流流經突縮再突擴管道的壓力降，得到管道壓力降與兩相流干度和氣體流量有關。鄭成[6]考慮了氣液表觀流速、空隙率隨管子高度變化并推導出垂直管內氣液兩相流的總壓力降表達式。Blauer 等[7]根據管內泡沫層流、湍流和過渡流的流動損失建立了注入壓力和摩擦壓力的計算方法。林全生等[8]通過數值擬合和試驗研究對比壓縮空氣A類泡沫在不同規格水帶中的沿程阻力損失，提出了適用于壓縮空氣A類泡沫的流體力學數值計算方法，并通過擬合得到沿程阻力系數和顯性表達式。王勇凱等[9]運用Fluent數值模擬軟件對不同發泡倍數的泡沫在水平管路中的層流流動進行模擬，并搭建了小型試驗平臺以驗證壓降模擬結果的可靠性。

本文基于均相法推導了壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降并試驗研究了其隨管徑、混合比、混合液流量和氣液比的變化規律。

1 理論分析

氣液兩相流的流動情況復雜，在水平管道中可分為氣泡流、活塞流、層流、波狀流、柱狀流、環狀流和分散流7種流型，在垂直管道中可分為氣泡流、柱狀流、泡沫流、環狀流和霧狀流5種流型。計算方法分為均相法和杜克勒法，其中均相法是假定氣液兩相流在相同的速度下流動，適用于分散流；杜克勒法則需要考慮氣液兩相流在管內以不同速度流動的影響。壓縮空氣泡沫是將氣體分散在液相中，類似于一種氣體體積分數較大、氣泡更細小和數量多的分散流，因此，可采用均相法計算其在管道中流動的壓力降，總壓力降計算公式為：

式中，PΔ 為總壓力降，MPa；fPΔ 為直管段摩擦壓力降，MPa；kPΔ 為局部壓力降，MPa；HPΔ 為上升管靜壓力降，MPa。

直管段摩擦壓力降計算公式為：

式中，Hλ為管壁的摩擦系數；Hρ為壓縮空氣泡沫流平均密度，kg/m3；Hu為壓縮空氣泡沫平均流速，m/s；L為直管段長度，m；D為管道內直徑，m。

局部壓力降計算公式為：

式中，eL為管件的當量長度，m。

氣液兩相流流速計算公式為：

式中，TW為壓縮空氣泡沫總的質量流量，kg/h。

又由流體力學可知，摩擦阻力系數通常用布拉修斯公式計算：

式中，G為壓縮空氣泡沫總的質量流速，2kg/(m s)? ；μ為壓縮空氣泡沫的平均黏度，Pas?。

故壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降計算公式為：

從公式(6)可以看出壓縮空氣泡沫在管道中流動壓力降與管道直徑D的4.75次方成反比，與管道和管件的當量長度成正比。

2 試驗研究

2.1 試驗材料

自主研發的壓縮空氣泡沫滅火裝置包括消防水泵、比例混合裝置、螺桿式空壓機和閥門儀表等，配置電磁流量計測量消防水流量和泡沫液流量，配置渦街流量計測量空氣流量，配置壓力變送器測量裝置出口壓力。為保證泡沫混合比可調，采用高混合比精度的計量注入式泡沫比例混合器，混合比從0.5%～6%連續可調。將壓縮空氣泡沫滅火裝置安裝在試驗平臺上，采用泡沫炮作為壓縮空氣泡沫釋放裝置，壓縮空氣泡沫滅火裝置出口與泡沫炮之間依次連接DN150、DN125和DN100的不銹鋼管道，長度各20m，在變徑處設置直讀壓力表，用于測量不同管徑下壓縮空氣泡沫的壓力降，如圖1所示。泡沫原液為3%型的水成膜泡沫滅火劑。

圖1 壓縮空氣泡沫試驗平臺簡圖Fig.1 Schematic diagram of compressed air foam test platform

試驗中讀取壓力表P1、P2、P3、P4，將P2與P1、P3與P2、P4與P3的差值分別作為壓縮空氣泡沫在DN150、DN125和DN100管道中的流動壓力降。

2.2 結果與討論

2.2.1 不同管徑下壓縮空氣泡沫的流動壓力降

設置壓縮空氣泡沫滅火裝置參數為泡沫混合液流量40L/s，混合比3%，氣液比7∶1，測量壓縮空氣泡沫在DN150、DN125和DN100管道中的流動壓力降并與公式6計算結果對比，其變化規律如圖2所示。

圖2 壓縮空氣泡沫的流動壓力降隨管徑的變化規律Fig.2 Variation of flow pressure drop of compressed air foam with pipe diameter

由圖2可以看出，在壓縮空氣泡沫滅火裝置參數一定條件下，壓縮空氣泡沫流動壓力降隨管徑的增大迅速減小，DN100管道的壓力降約為DN150管道的10倍，DN125管道的壓力降約為DN150的2倍，說明壓縮空氣泡沫流動壓力降受管徑的影響非常大。試驗值與計算值相近且變化趨勢相同，說明均相法適用于計算壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降。各種管徑下計算值均比試驗值小，這是由于計算值沒有考慮到管道變徑對壓力降的影響。

2.2.2 不同混合比下壓縮空氣泡沫的流動壓力降

設置壓縮空氣泡沫滅火裝置泡沫混合液流量40L/s，氣液比7∶1，調節泡沫混合比為1%、2%、3%、4%，分別測得壓縮空氣泡沫在不同混合比下的壓力降，其變化規律如圖3所示。

圖3 壓縮空氣泡沫的流動壓力降隨混合比的變化規律Fig.3 Variation of flow pressure drop of compressed air foam with mixing ratio

由圖3可以看出，不同混合比下壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降基本相同。這是因為泡沫混合液中泡沫液占比很小，對壓縮空氣泡沫的黏度、密度等物理性能的影響可以忽略，進一步說明壓縮空氣泡沫在管道中流動壓力降與發泡效果無關，可以采用均相法進行估算。

2.2.3 不同流量下壓縮空氣泡沫的流動壓力降

設置壓縮空氣泡沫滅火裝置混合比3%，氣液比為7∶1，調節泡沫混合液流量為33.3、36.7、40、43.3L/s，分別測得壓縮空氣泡沫在不同混合液流量下的壓力降，其變化規律如圖4所示。可以看出隨著泡沫混合液流量增大，壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降呈線性增大，管徑越小其增大的趨勢越明顯。泡沫混合液流量的增大引起泡沫流速的增大，進而造成壓縮空氣泡沫在管道中的摩擦壓力降增大。