基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】

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系統(tǒng)、水噴淋系統(tǒng)、低壓c0：系統(tǒng)和混合氣系統(tǒng)。 其中。氣體滅火系統(tǒng)(包括低壓：系統(tǒng)和混合 氣系統(tǒng))對消防人員有一定的危害，c02的大量排 放可使地球表面的溫度升高；水噴淋系統(tǒng)的最大缺 點是用水量高、水漬損失大、誤動作后果嚴重：而 細水霧滅火系統(tǒng)在滅火效能、工程造價、釋放后二 次災(zāi)害等方面均優(yōu)于水噴淋系統(tǒng)，它還具有無環(huán)境 污染、滅火迅速、用水量少、水漬損失極小以及適 用于特殊火災(zāi)(如計算機房、航空器火災(zāi)等)等特 點。因此，發(fā)達國家正積極開展細水霧滅火系統(tǒng)在 民用建筑、可燃液體儲存空間及電氣設(shè)備間的應(yīng)用 研究鴨 “細水霧”(、附mist)是相對于“水噴霧” (wa研sp豫y)而言的，指使用特殊噴嘴產(chǎn)生的最 大粒徑小于1 Im、平均粒徑小于400岬的水粒。 細水霧滅火具有以下特點：能迅速抑制和去除火 場中的空氣；能非常有效地降低熱輻射引起的危 國家自然科學基金瞪00蛐19)和浙江省青年人基盤99040)資助項 且。20020123收到韌稿舢28收到修改稿 害；能方便地到達火場隱蔽的角落。減小重新起 火的危險：完全霧化的高速噴射可徹底滲透到深層 的余燼中，也可起清潔作用：水的消耗少，危害低； 生產(chǎn)設(shè)備能在短期內(nèi)迅速恢復(fù)使用：環(huán)境友好、價 格低廉。目前消防用細水霧來源以氣動霧化方式最 為常見，但其體積過大，且需另附高壓氣瓶機動 性差。近年來，高壓細水霧滅火技術(shù)已經(jīng)成為國際 消防界的研究熱點m。證i是，產(chǎn)生高壓細水霧的壓 力一般在10，a左右，目前消防器材很難達到， 而純水液壓技術(shù)的特點就是能輸出持續(xù)均勻的高壓 水流。因此，采用純水液壓技術(shù)的細水霧滅火系統(tǒng) 不僅解決了產(chǎn)生高壓水流的難題，而且可以開拓純 水液壓技術(shù)新的應(yīng)用領(lǐng)域剛。 系統(tǒng)由高壓水液壓泵、高壓水液壓閥、水箱、 噴嘴和不銹鋼管道等組成，自備水箱，且系統(tǒng)自帶 消防接口可與消防栓直接對接，通用性強。整 個系統(tǒng)無需輔助設(shè)備，體積小。機動性強。細水霧 通過高壓霧化噴嘴對水液壓泵輸出的高壓水進行直 接霧化產(chǎn)生霧滴直徑小于400 u玎1。 本系統(tǒng)中，噴嘴直接高壓霧化理論分析和結(jié) 構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。本文對自行設(shè)計的高壓霧化噴嘴 進行理論分析及試驗研究，以期發(fā)現(xiàn)噴嘴的最佳尺 寸參數(shù)，為改進設(shè)計提供依據(jù)。 l噴嘴內(nèi)部流動分析 設(shè)計的高壓霧化噴嘴類型為易加工的直線收 斂型噴嘴，如圖1所示。 其主要幾何參數(shù)有噴嘴收縮角口入口和出口 萬方數(shù)據(jù) L 一 !墮三堡蘭塑 蘭!堂蘭!塑 過渡處的曲率半徑p，和p：、入口直徑D、出口直 徑d、出口段圓柱管收縮特性d?？紤]到加工因 素及實際晴況，計算中忽略p，和m以及噴嘴內(nèi)表 面粗糙度R。的影響。設(shè)計噴嘴的原始數(shù)據(jù)d取決 于射流流量和額定壓力，經(jīng)計算、圓整后取15 mmD由設(shè)計給定，固此需根據(jù)對內(nèi)部流動及外 部霧化性能的影響來優(yōu)選的參數(shù)有口、咐。 圖1收斂型噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何參數(shù) 在噴嘴內(nèi)部流動中邊界層厚度d和加速因子 E是對外部霧化特性有重要影響的兩個參數(shù)。較大 的d對射流的擴散有利，也即對霧化有利。加速因 子丘則反映了噴嘴出口斷面的紊流度狀況。 肛=(v“。2)(d刪 (1) 當囂(05106時為紊流；在05106K 2010。6時為紊流向?qū)恿鬟^渡狀態(tài)；jp2010。6 時出現(xiàn)層流邊界層。因此K應(yīng)越小越好。 采用軸對稱湍流邊界層動量積分解法對d、K 進行分析，方程組為 連續(xù)方程 d帆啤一片印2】df0 動量方程 竿警+c暑c?。翰匪Nc肌z，誓+m 旦塑一旦：o R h 2輸運方程d“。睨。y螄，v) 式中只鞏v)=o029 8阮r3)。0“7 只。=1535似_07)。75+33 c仁0288唧(一137HlgRe)1 75”83“ 因其他形狀因子之間相差較小，故假定所有 其他形狀園子取值均為形狀因子日，取其初始值為 14。整理上述方程組可以得到 叩協(xié)=0一r“一6)，似一fd44) “dFMf4一a)，爿一一4) (3) dH。df卜刪目地+(Ro州血蝴(2站+倒dc】(鞏v) 式中4I鼉月儂 一2=烈卅2)帆一甙卅2)(2R虬) _3=c2ad月，dx)R A4=-HH，fH。 一5=日見。m。+(月一眥。)(2“島) 一6娟鞏，H曲血)，見， R一一噴嘴出口商徑 “。一一噴嘴內(nèi)核心匹速度 邊界層中流動速度 H形狀園子 也廠一平均形狀田子 日邊界層動量損失厚度 cf壁面摩阻系數(shù)，c廣“0“。22) k壁面切應(yīng)力 p水的密度 尺e雷諾數(shù)，尺F鼬 v水的運動粘度 根據(jù)噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，可得d、K的仿真曲 線如圖2、圖3。 E 畸 毪 臥 嗵 磚 嗣 目 E 詰 捌 睦 絲 酴 捌 收縮角口f。) 圖2收縮角a對d、K的影響曲線 (廿=o，214脅，g廣16 L，nlln) 收縮段長度d 35 30 圖3收縮段長度對d、的影響曲線 (d=30。P214 MPa r g廣16 Ln_rI) 2 邑 ￥ 巳 剖 由圖2、圖3可看出，在p=14MPa，q尸16Lfmm 工況下，隨著口的增大，J逐漸減?。弘S著刪的 增大，J逐漸增大。但從絕對值上來看，a和M對 d的影響都不是很大(d對d的影響從023岬變化 到016岬，D玎對J的影響從O17皿1變化到0164 哪)。相對而言，口對J的影響變化幅度要大一些。 在相同工況下，f值在a、州變化時均遠遠 w三2牛巳削呈 I 3 1 】 0 萬方數(shù)據(jù) 2002年9月 范明豪等：高壓細水霧滅火噴嘴的霧化特性研究 9 小于10一，即實際流動均為極強的紊流。隨著口的 增大，x增大，紊流度減小。隨著D“的增大，K 減小，紊流度增大。但6臼對K的影響要高于。對 K的影響(高兩個數(shù)量級)，其影響的變化幅度卻 不及口。 2噴嘴外部霧化特性分析 圖4為紊動射流的外部結(jié)構(gòu)示意圖刪。其中， 未受到外界空氣卷吸影響而保持原來出口流速的中 心部分稱為核心區(qū)，之后的部分稱為發(fā)展區(qū)。 麓糙 曩 一起始殷過掛段 主體段 k簍量匡 圖4射流外部分區(qū)圖 從出口至核心區(qū)末端的部分為起始段；紊動 充分發(fā)展以后的部分為主體段；主體段與起始段之 間為過渡段。過渡段一般均較短，分析中常忽略。 噴霧滅火系統(tǒng)的工作段在主體段，因此外部霧化特 性分析主要針對主體段。影響細水霧滅火性能的主 要參數(shù)有哪：噴霧錐角、噴霧射程、霧滴動量、霧 化顆粒細度(SMD)、霧化液滴尺寸均勻度和霧通 量。這些外部霧化特性參數(shù)均取決于系統(tǒng)壓力及噴 嘴幾何尺寸。其中，噴霧錐角、噴霧射程可直接測 量，霧化均勻度可認為是正態(tài)分布不失普遍性，霧 化顆粒細度、霧通量及霧滴動量則需通過對霧滴的 速度和滴徑進行精密測量后才能得出。在這里，只 對霧滴速度和滴徑sMD進行仿真分析。 21射流速度分布 在圖5中，射流出L速度隨著D缸的增大而 減小；隨著d從0。開始增大而增大，到約13。咀后 則隨著口的增大而減小。在系統(tǒng)壓力為14 MPa和 出口流量為16 umin不變的情況下，a和D枉對 的影響變化從162 ms到142州s，其變化幅度約 為12。即在此壓力下，出口速度的變化并不是 很大。 各具體出口斷面上的流速分布對霧滴動量有 重要影響。比較動量積分和微分方程解法的速度公 式后，采用微分方程解法經(jīng)驗公式，可得對各斷面 上的流速分布【”】。 小。=(1十o414_2)。 “扣。=o0423“1-o414礦礬1+0414礦)2 (4) ：742o詹 式中“軸向速度 珥徑向速度 一軸心速度 J比密動量 j爿dp 厶一一單位時間內(nèi)通過單位長度任一截面的 軸向總動量 矗叩口2d2，常數(shù) 目量綱一的距離，鏟，怕 可得如圖6所示的斷面軸向速度和徑向速度。 ， _ g 、 ， 捌 瑙 懂 暴 (a)軸向建度圈 處 處 處 圖5噴嘴結(jié)構(gòu)對出口速度的影響關(guān)系圖 在不同出口斷面上，隨著噴射距離的增大 霎甄紫 萬方數(shù)據(jù) 機械工程學報 第38卷第9期 軸向速度“。與徑向速度坼均減小。其中，軸向速 度“。的減小明顯，當射程達到3 m時，軸心上的 流速從出口處的大于100州s銳減到1 5刪s，且其 周向分布的流速衰、槭更大，在邊緣l 5 m處流速 已接近于0。徑向速度“，從絕對值來看變化不是很 大，這正好說明射流噴出后與空氣大量發(fā)生卷吸， 造成流速迅速減小，損失的射流動能轉(zhuǎn)化為摩擦 能，使霧滴進一步破碎分裂。卷吸現(xiàn)象主要發(fā)生在 軸向，空氣卷吸后徑向的邊緣擴散不大。 22索太爾平均液滴直徑sMD 本系統(tǒng)中，噴嘴出口直徑固定，則sMD僅與 系統(tǒng)壓力有關(guān)，比較T甜or、w“f，Anderson，c00k 等的公式后，cookw的dley公式更適合本情況“ 文。卸643 06和or。9 (5) 如圖7所示系統(tǒng)壓力對sMD的影響極大， sMD隨著系統(tǒng)壓力的升高而呈接近倒數(shù)關(guān)系降低。 g亡 1 d 記 氍 瓣 封 事 P 4 6 S 10 12 “ 系統(tǒng)壓力p，MPa 固7系統(tǒng)壓力對sMD的影響(口=30口“糾) 當系統(tǒng)壓力小于3 MPa時，噴射形成的是水 珠，其sMD大于1 500岬，這也正是傳統(tǒng)水噴淋 系統(tǒng)水滴sMD大的最根本原因。當系統(tǒng)壓力升高 到約6 MPa時，sMD已小于400岬；在89MPa 之后，sMD的減小幅度已較小，其值為23恥120rn； 在14 MPa之后，sMD基本穩(wěn)定在120岬左右 已經(jīng)達到超細水霧的要求。所以，根據(jù)實際要求不 必要再盲目追求更高的壓力。 在系統(tǒng)壓力為9 MPa，流量為16 L，min時， 其滴徑SMD與噴嘴幾何尺寸之間的關(guān)系如圖8所 示。M越大sMD越大，霧化質(zhì)量越差；隨著a的 增加，sMD先衰減到一個波谷，又逐漸上升。sMD 總體上從360帥變化到220岬，變化幅度約為 45，但霧滴直徑均能滿足小于400岬的要求。 即a和M對sMD并不是最重要的影響因素。 3實際測量與分析 實際試驗主要考察壓力對外部霧化特性參數(shù) 的影響，同時兼顧了口、M的影響。 試制了F1 3、30：、60。、90。，n盧0、2、3、 4的噴嘴共16個，分別在系統(tǒng)壓力為3、5、7、9、 1l MPa下實測。射程與充分霧化距離如圖9所示， E 喇 蜘 艇 蜒 君 奎 圖 g 鋤 餐 E 、 t 劃 篁 蜮 系統(tǒng)壓力I，Mh (b)充分霧化距離 圖9不同收縮角下射程與充分霧化距離(，j赤2) 由圖9知，隨著壓力的升高，射程逐漸變遠， 充分霧化距離(即充分霧化點與噴嘴出口之間的距 離)變短。在系統(tǒng)壓力為89 MPa時，噴霧射程 一般穩(wěn)定在85 m左右，此時充分霧化距離穩(wěn)定在 42 m左右。壓力大于9 MPa后，噴霧射程和充分 霧化距離的變化幅度不大， 測量結(jié)果同時表刳噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)以，d=2， f30。、60時的霧化效果為佳。同時，計算噴嘴外 萬方數(shù)據(jù) 2002年9月 范明豪等：高壓細水霧滅火噴嘴的霧化特性研究 2 部霧化特性參數(shù)時，均按AIbenson的試驗資料公 式6=011如來計算，即射流霧化錐角約為13，這 與實測結(jié)果一致。 相同出口直徑下，系統(tǒng)壓力越大，sMD越小， 目測即可看出。當系統(tǒng)壓力高于9 MPa后，sMD 變化不明顯，故以89 MPa為本型噴嘴的最低穩(wěn) 定霧化壓力。 4結(jié)論 通過對直射式噴嘴內(nèi)外部霧化特性參數(shù)的仿 真與試驗仿真結(jié)果與實際測量情況是相吻合的。 噴射壓力的高低是影響到噴霧霧化的最關(guān)鍵 因素。當系統(tǒng)壓力低于3 MPa時，水珠直徑大于 1 500“m；低于5MPa以下，基本上形不成有效的 水霧；大于9MPa后，形成的細水霧穩(wěn)定。相同 出口直徑情況下，系統(tǒng)壓力越太，sMD越小，當 系統(tǒng)壓力大于9 MPa后，sMD變化幅度不大，因 此不必追求更高的壓力。 參數(shù)衍口似對噴霧的內(nèi)部流動與外部霧化特 性的影響是綜合的，因此需優(yōu)選后選用。理論分析 與實際試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)中的直射式噴嘴結(jié)構(gòu) 參數(shù)在肌扛2，a=3060為佳。 但瘌塒的大小對霧化錐角、射程和充分霧 化距離影響不大，因此需要進一步改進結(jié)構(gòu)，來擴 大霧化錐角，縮短充分霧化距離，保持射程不變， 使其更適應(yīng)于現(xiàn)場滅火。 參考文獻 1 N刪anniKAN01舭P FWat盯m扭tf打e哪化錨ion syskm1Il：Proce鰣Ilg ofTechnic出Sy驢os嘶Halon A1佃n“ves，Soci啊ofFire ProIecti蚰Engi扯啪胍d PLC EducaF刪a時on，Knoxvme1N， 1994：57d64 2約翰H戴爾超細水霧滅火系統(tǒng)王曄譯消防技術(shù) 與產(chǎn)品信息，1998(10)：3238 3劉江虹廖光煊，范維澄，等細永霧滅火技術(shù)及其應(yīng) 用火災(zāi)科學，200l(1)：3437 4 肖學鋒當前消防科技的熱門研究領(lǐng)域消防科學與技 術(shù)2000(8)：40 5 wh砒is cu廿e“ny臥詘lomme礎(chǔ)d ofw岫hyd刖hcs， W把Hyd1icsA stan培ReporL NFPA，1995 6楊華勇，周華，路甬祥水液壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展 趨勢中國機械工程，2000(12)1 4301 433 7范明豪，周華，楊華勇純水液壓傳動及高壓高技細水 霧滅火系統(tǒng)研究液壓與氣動，2001(5)：1416 8余常昭紊動射流北京：高等教育出版社1993 9曾漢才，韓才元吳學曾等燃燒技術(shù)武漢：華中 理工大學出版社，1990 10趙學端，廖其奠粘性瀧體力學(第二版1北京：機械 工業(yè)出版社，1993 11 王中偉，周進，鐘良生，等RLPG霧化模型中的液 滴直徑關(guān)系國防科技大學學報，1998(5)：lq RESEARCH oN Ar0MIZATIoN CHARACTERISTICS oF mGH PRESSURE、)IATER MST AToMIZER FoR HRE SUPPRESSIoN F黼Min酵qo蕊o“臻m 1翻g口妒ng (動啪增踟眥m毋) Ab蚰rlc燈 IiglI-p他sst啪waler Iist system is a ncw typc of 五搏矗ghting llnit using watcr hydrallIic technologM The ad ll組鏟s 0fw咖r m訌t inctudc e礬曲凹瑚n8蜥銜髓d坶 fa吐 and e母，cdve fin馴卿玎螂i徹， minimm qI璩d計of w葉er requirIm塒如， Iaw w目t叮10s8It h船be硼m nct岍dcly 唧w協(xié)d血c mo吐腳dal sub鰣mtc of H蜘丘r扣69hting 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ENGINEERING 年，卷(期)： 2002,38(9) 被引用次數(shù)： 27次 參考文獻(11條) 1.王中偉;周進;鐘良生 RLPG霧化模型中的液滴直徑關(guān)系期刊論文-國防科技大學學報 1998(05) 2.趙學端;廖其奠 粘性流體力學 1993 3.曾漢才;韓才元;吳學曾 燃燒技術(shù) 1990 4.余常昭 紊動射流 1993 5.范明豪;周華;楊華勇 純水液壓傳動及高壓高效細水霧滅火系統(tǒng)研究期刊論文-液壓與氣動 2001(05) 6.楊華勇;周華;路甬祥 水液壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢期刊論文-中國機械工程 2000(12) 7.What is currently available in the field of water hydraulics, Water Hydrauli cs-A Status Report 1995 8.肖學鋒 當前消防科技的熱門研究領(lǐng)域 2000(03) 9.劉江虹;廖光煊;范維澄 細水霧滅火技術(shù)及其應(yīng)用期刊論文-火災(zāi)科學 2001(01) 10.約翰 H 戴爾;王曄 超細水霧滅火系統(tǒng) 1998(10) 11.Notarianni K A;Nolan P F Water mist fire suppression system 1994 引證文獻(27條) 1.李志峰.潘榮錕.李振峰.余明高 障礙物作用下細水霧熄滅油火數(shù)值模擬期刊論文-消防科學與技術(shù) 2010(6) 2.周華.鄧東.楊華勇 封閉空間中細水霧滅油盆火的試驗研究期刊論文-浙江大學學報（工學版） 2007(6) 3.王冬娜.劉志超 應(yīng)用正交試驗法優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)期刊論文-煤礦機電 2007(2) 4.劉乃玲.張旭 螺旋型噴嘴霧化及流量特性實驗期刊論文-農(nóng)業(yè)機械學報 2006(9) 5.鄧東.周華.楊華勇 新型細水霧滅火噴嘴的仿真及試驗期刊論文-機械工程學報 2006(12) 6.劉乃玲.張旭 螺旋型噴嘴液滴分布特性及液滴直徑經(jīng)驗公式的擬合期刊論文-實驗流體力學 2006(3) 7.劉志超.余明高.賈海林.潘榮錕 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純水液壓柱塞泵及溢流閥關(guān)鍵技術(shù)的研究學位論文博士 2004 26.張愛民 大型油浸電力變壓器消防的應(yīng)用研究學位論文碩士 2004 27.廖義德.邱鴻利.李壯云 雙層高壓細水霧滅火噴嘴霧化特性實驗研究期刊論文-武漢化工學院學報 2003(2) 本文鏈接：http:/