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

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消防滅火在現(xiàn)代社會(huì)中的保障生命安全和減 小財(cái)產(chǎn)損失方面起著越來越重要的作用。傳統(tǒng)的鹵 代烷滅火系統(tǒng)(哈龍系統(tǒng))對(duì)大氣臭氧層有嚴(yán)重破 壞作用，且損害人員身心健康，故聯(lián)合國(guó)在1987 年簽署“蒙特利爾公約”明確要求各簽約國(guó)在2l世 紀(jì)初葉予咀取代。國(guó)際上推崇的替代系統(tǒng)有細(xì)水霧 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(duì)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(diǎn)是用水量高、水漬損失大、誤動(dòng)作后果嚴(yán)重：而 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在滅火效能、工程造價(jià)、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(jì)算機(jī)房、航空器火災(zāi)等)等特 點(diǎn)。因此，發(fā)達(dá)國(guó)家正積極開展細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在 民用建筑、可燃液體儲(chǔ)存空間及電氣設(shè)備間的應(yīng)用 研究鴨 “細(xì)水霧”(、附mist)是相對(duì)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(xì)水霧滅火具有以下特點(diǎn)：能迅速抑制和去除火 場(chǎng)中的空氣；能非常有效地降低熱輻射引起的危 國(guó)家自然科學(xué)基金瞪00蛐19)和浙江省青年人基盤99040)資助項(xiàng) 且。20020123收到韌稿舢28收到修改稿 害；能方便地到達(dá)火場(chǎng)隱蔽的角落。減小重新起 火的危險(xiǎn)：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(jià) 格低廉。目前消防用細(xì)水霧來源以氣動(dòng)霧化方式最 為常見，但其體積過大，且需另附高壓氣瓶機(jī)動(dòng) 性差。近年來，高壓細(xì)水霧滅火技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際 消防界的研究熱點(diǎn)m。證i是，產(chǎn)生高壓細(xì)水霧的壓 力一般在10，a左右，目前消防器材很難達(dá)到， 而純水液壓技術(shù)的特點(diǎn)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(xì)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(duì)接，通用性強(qiáng)。整 個(gè)系統(tǒng)無需輔助設(shè)備，體積小。機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。細(xì)水霧 通過高壓霧化噴嘴對(duì)水液壓泵輸出的高壓水進(jìn)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(jì)至關(guān)重要。本文對(duì)自行設(shè)計(jì)的高壓霧化噴嘴 進(jìn)行理論分析及試驗(yàn)研究，以期發(fā)現(xiàn)噴嘴的最佳尺 寸參數(shù)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 l噴嘴內(nèi)部流動(dòng)分析 設(shè)計(jì)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(shí)際晴況，計(jì)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(jì)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(jì)算、圓整后取15 mmD由設(shè)計(jì)給定，固此需根據(jù)對(duì)內(nèi)部流動(dòng)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(dòng)中邊界層厚度d和加速因子 E是對(duì)外部霧化特性有重要影響的兩個(gè)參數(shù)。較大 的d對(duì)射流的擴(kuò)散有利，也即對(duì)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(dāng)囂(05106時(shí)為紊流；在05106K 2010。6時(shí)為紊流向?qū)恿鬟^渡狀態(tài)；jp2010。6 時(shí)出現(xiàn)層流邊界層。因此K應(yīng)越小越好。 采用軸對(duì)稱湍流邊界層動(dòng)量積分解法對(duì)d、K 進(jìn)行分析，方程組為 連續(xù)方程 d帆啤一片印2】df0 動(dòng)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(yùn)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?cè)聝z 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(dòng)速度 H形狀園子 也廠一平均形狀田子 日邊界層動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(duì)d、K的影響曲線 (廿=o，214脅，g廣16 L，nlln) 收縮段長(zhǎng)度d 35 30 圖3收縮段長(zhǎng)度對(duì)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(duì)值上來看，a和M對(duì) d的影響都不是很大(d對(duì)d的影響從023岬變化 到016岬，D玎對(duì)J的影響從O17皿1變化到0164 哪)。相對(duì)而言，口對(duì)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(shí)均遠(yuǎn)遠(yuǎn) 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(xì)水霧滅火噴嘴的霧化特性研究 9 小于10一，即實(shí)際流動(dòng)均為極強(qiáng)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(duì)K的影響要高于。對(duì) K的影響(高兩個(gè)數(shù)量級(jí))，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(dòng)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(dòng) 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(duì)主體段。影響細(xì)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(dòng)量、霧 化顆粒細(xì)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(cè) 量，霧化均勻度可認(rèn)為是正態(tài)分布不失普遍性，霧 化顆粒細(xì)度、霧通量及霧滴動(dòng)量則需通過對(duì)霧滴的 速度和滴徑進(jìn)行精密測(cè)量后才能得出。在這里，只 對(duì)霧滴速度和滴徑sMD進(jìn)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??；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(duì) 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(duì)霧滴動(dòng)量有 重要影響。比較動(dòng)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(yàn)公式，可得對(duì)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(dòng)量 j爿dp 厶一一單位時(shí)間內(nèi)通過單位長(zhǎng)度任一截面的 軸向總動(dòng)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(duì)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(jī)械工程學(xué)報(bào) 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(dāng)射程達(dá)到3 m時(shí)，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(duì)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(dòng)能轉(zhuǎn)化為摩擦 能，使霧滴進(jìn)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(kuò)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(duì)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(duì)sMD的影響(口=30口“糾) 當(dāng)系統(tǒng)壓力小于3 MPa時(shí)，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(dāng)系統(tǒng)壓力升高 到約6 MPa時(shí)，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(dá)到超細(xì)水霧的要求。所以，根據(jù)實(shí)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(shí)， 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(gè)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(duì)sMD并不是最重要的影響因素。 3實(shí)際測(cè)量與分析 實(shí)際試驗(yàn)主要考察壓力對(duì)外部霧化特性參數(shù) 的影響，同時(shí)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(gè)，分別在系統(tǒng)壓力為3、5、7、9、 1l MPa下實(shí)測(cè)。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(yuǎn)， 充分霧化距離(即充分霧化點(diǎn)與噴嘴出口之間的距 離)變短。在系統(tǒng)壓力為89 MPa時(shí)，噴霧射程 一般穩(wěn)定在85 m左右，此時(shí)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(cè)量結(jié)果同時(shí)表刳噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)以，d=2， f30。、60時(shí)的霧化效果為佳。同時(shí)，計(jì)算噴嘴外 萬方數(shù)據(jù) 2002年9月 范明豪等：高壓細(xì)水霧滅火噴嘴的霧化特性研究 2 部霧化特性參數(shù)時(shí)，均按AIbenson的試驗(yàn)資料公 式6=011如來計(jì)算，即射流霧化錐角約為13，這 與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。 相同出口直徑下，系統(tǒng)壓力越大，sMD越小， 目測(cè)即可看出。當(dāng)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(duì)直射式噴嘴內(nèi)外部霧化特性參數(shù)的仿 真與試驗(yàn)仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)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(dāng)系統(tǒng)壓力低于3 MPa時(shí)，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(xì)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(dāng) 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(duì)噴霧的內(nèi)部流動(dòng)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(shí)際試驗(yàn)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(duì)霧化錐角、射程和充分霧 化距離影響不大，因此需要進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)，來擴(kuò) 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(chǎng)滅火。 參考文獻(xiàn) 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(shí)on，Knoxvme1N， 1994：57d64 2約翰H戴爾超細(xì)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(xì)永霧滅火技術(shù)及其應(yīng) 用火災(zāi)科學(xué)，200l(1)：3437 4 肖學(xué)鋒當(dāng)前消防科技的熱門研究領(lǐng)域消防科學(xué)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(shì)中國(guó)機(jī)械工程，2000(12)1 4301 433 7范明豪，周華，楊華勇純水液壓傳動(dòng)及高壓高技細(xì)水 霧滅火系統(tǒng)研究液壓與氣動(dòng)，2001(5)：1416 8余常昭紊動(dòng)射流北京：高等教育出版社1993 9曾漢才，韓才元吳學(xué)曾等燃燒技術(shù)武漢：華中 理工大學(xué)出版社，1990 10趙學(xué)端，廖其奠粘性瀧體力學(xué)(第二版1北京：機(jī)械 工業(yè)出版社，1993 11 王中偉，周進(jìn)，鐘良生，等RLPG霧化模型中的液 滴直徑關(guān)系國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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(dòng)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(jì)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 sys把m The i盱naw gt丑te of也e vi恤l exute coln口?？Р穇 婦優(yōu)t j融ato商zcf is韶且Iyz。d by砒ing a】【i缸syl姍e缸c8l boudary m哪mm iII肥gIaI r眥啦0dThe a啪iz酣shpe dime監(jiān)ions infh地e 0n two in附flw p啪n持te曙，bo岫dary 岍恤ickncss 6， 虻celerg忙舢t盯置is as北s晴d B酷ides1he帥t盯曲岫ati婦clc畦出csIa伽Io fjl魯矗ghti士lg pe咄粕18ncefbr in她cc- ounet vel時(shí)， seIlter M Di蛐clcr(s啪D)is腳Iy2cd sim山hon resuacxp cri m曲扭y v酬靠e正The reslllts站c。w出毗k驢據(jù)m wofkjng pssure is thc mo吼illlpott盼t fktor to也ese oul盯atomizati蚰 chamcteri出cs剛89 MPa墻tIIc Bppropdale ar阻of s恤ble at毗niza廿0n pre船u咒fbr this proIo斜pc af dimct jet種oIni黯r The蛐mliz釘shpe由撇珊ions include con廿扯t蜘gle口， l髓gIh of劬Dmiz盯no呔刪hs血flue眥e on i士ln盯now pa柚et啊蜘d叫竹咖IIlizcr ch盯a曲晡出cs，bun【0t disdnct Theo刪mma協(xié)miz盯inn仃smJchHPjs sd髓剮 Key word0；W岫m衄F(xiàn)打e也gh6ng Jct a101nia盯 AIomi州on chmct嘶sncs 作者筒介，范喇蠢，男，1975年出生浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。主要研咒方向?yàn)榧兯簤簜鲃?dòng)技術(shù)，發(fā)表論 文10采篇。 萬方數(shù)據(jù) 高壓細(xì)水霧滅火噴嘴的霧化特性研究 作者： 范明豪， 周華， 楊華勇 作者單位： 浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州,310027 刊名： 機(jī)械工程學(xué)報(bào) 英文刊名： CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 年，卷(期)： 2002,38(9) 被引用次數(shù)： 27次 參考文獻(xiàn)(11條) 1.王中偉;周進(jìn);鐘良生 RLPG霧化模型中的液滴直徑關(guān)系期刊論文-國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào) 1998(05) 2.趙學(xué)端;廖其奠 粘性流體力學(xué) 1993 3.曾漢才;韓才元;吳學(xué)曾 燃燒技術(shù) 1990 4.余常昭 紊動(dòng)射流 1993 5.范明豪;周華;楊華勇 純水液壓傳動(dòng)及高壓高效細(xì)水霧滅火系統(tǒng)研究期刊論文-液壓與氣動(dòng) 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(shì)期刊論文-中國(guó)機(jī)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(xué)鋒 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