七氟丙烷灭火剂施放、流动及扩散过程的数值模拟

陆诚，吕晓东，魏巍

（1北京特种车辆研究所，北京100072；2西安新竹防灾救生设备有限公司，陕西 西安710075）

在车辆灭火系统中，灭火剂在舱体内的流动扩散过程直接影响了灭火剂的分布情况，从而影响了灭火剂的灭火性能。因此，深入认识灭火剂在舱体内的流动和扩散规律对灭火系统的设计有很大的指导作用。在一些老的车辆设备中，通常采用哈龙1211和哈龙1301等灭火剂，这些传统灭火剂对人毒害性较大，且对臭氧损耗、温室效应等影响较大，环保性差，已逐渐被新型灭火剂所取代［1］。七氟丙烷灭火剂具有空气泡沫覆盖隔离和自身的化学抑制的双重灭火功效、可短时间内扑灭轻烃等低沸点可燃气体等优点［2－4］，目前在车辆消防工程中应用较为广泛。在一些老的车辆设备中，如何在不改变原有灭火系统前提下直接用七氟丙烷灭火剂替代哈龙型灭火剂十分值得研究。前期已通过实验方法对七氟丙烷灭火剂能否替代哈龙型灭火剂进行了研究，得到了总体的灭火效果，但是由于受检测方法的限制，难以获得灭火剂在车辆内部详细的流动和扩散信息。为此，本文将采用数值模拟方法对七氟丙烷灭火剂在试验舱体内的灭火过程进行分析，揭示七氟丙烷灭火剂在舱体内的施放、流动及扩散规律，弥补实验研究的不足，为车辆内灭火系统的设计和布置提供指导。

1 数学模型

七氟丙烷灭火剂灭火过程中，灭火剂储瓶中液态的七氟丙烷在压力作用下从灭火装置喷嘴喷出，同时七氟丙烷汽化为气体，然后七氟丙烷气体在舱体内快速流动和扩散，到达火面实施灭火。由流体力学基本理论［5］可知，七氟丙烷灭火剂在舱体内的施放、流动、扩散过程遵循质量守恒、动量守恒和组分守恒定律，可由质量、动量和组分基本控制方程组来描述。舱体内七氟丙烷灭火剂的流动属于湍流流动，由于湍流脉动而引起的动量守恒和组分守恒方程中的应力输运和质量输运要通过湍流模型来封闭，本研究中采用k－ε双方程湍流模型［6］对其进行封闭。基本控制方程和k－ε湍流模型方程的具体形式参见文献［6］。

2 模拟工况

研究对象为一试验舱体，基本结构尺寸为1996mm×1910mm×920mm。灭火剂储瓶放置在舱体外，通过管路通入舱体内部，通过两个灭火喷嘴进行灭火。喷嘴1位于舱体左侧，喷嘴出口向下；喷嘴2位于舱体右侧，喷嘴出口面向舱体侧壁，具体布置如图1所示。灭火喷嘴直径为16mm，喷嘴结构如图2所示。

七氟丙烷灭火剂在储瓶内以液态存在，施放时汽化喷出，在舱体内扩散流动。灭火剂储瓶压力为2.5MPa，七氟丙烷充装量为0.85kg，施放时间为7s。七氟丙烷物性参数［7］如表1所示。

图1 灭火喷嘴位置示意

图2 灭火喷嘴结构

表1 七氟丙烷物性参数

舱体内部七氟丙烷施放过程中，施放初期灭火装置内部压力大、施放速度较大；随着施放时间的变长，灭火装置内部压力变小，施放速度减小。根据文献中关于灭火剂施放过程中灭火装置压力变化情况［8］，确定了舱体内灭火剂施放速率，如图3所示。

3 模拟结果与分析

采用CFD软件Fluent对上述条件下的七氟丙烷灭火剂在舱体内的施放、流动、扩散过程进行模拟计算。采用Simple算法［9］求解压力－速度耦合方程，动量、组分、湍动能和湍流耗散率方程的离散格式均采用二阶迎风差分格式，舱体壁面采用标准壁面函数方法处理。喷嘴周边区域中各物理量变化大，为了更准确地模拟这种变化趋势，对喷嘴周边区域的网格进行加密，整个舱体网格数量约为200万个。

图3 七氟丙烷灭火剂施放速率随时间变化

3.1 流场分析

图4为舱体内灭火喷嘴喷出的七氟丙烷灭火剂的流线图。由图4可见，由喷嘴施放出的七氟丙烷气体先喷到喷嘴出口所对的壁面上，随后折流向顶部运动，同时在舱体内逐渐扩散至均匀状态。由流线图还可以看出，在喷嘴附近七氟丙烷灭火剂流动速度较高，且流线较为集中，七氟丙烷浓度较高；随着七氟丙烷灭火剂在舱内的流动和扩散，流动速度逐渐降低，浓度也降低。可见喷嘴附近发生的火灾可以很好地被熄灭，而舱内其他位置上发生的火灾能否及时被熄灭则取决于该位置上灭火剂的浓度，这与灭火剂的流动和扩散过程密切相关。因此，模拟计算得到的灭火剂流动和扩散规律可为灭火装置的设计和布置提供重要的参考。

3.2 七氟丙烷浓度分布

七氟丙烷灭火剂在舱体内的分布直接决定了灭火剂灭火效果的好坏，七氟丙烷浓度分布是否均匀与灭火装置喷嘴结构及分布位置有很大关联。故对七氟丙烷灭火剂施放过程中不同时刻七氟丙烷灭火剂浓度分布情况进行分析，如图5所示。图5中不同颜色代表不同的七氟丙烷浓度值，蓝色代表七氟丙烷浓度为0，红色代表七氟丙烷浓度为0.1，从蓝色过渡到红色，七氟丙烷浓度逐渐增加。从不同时刻的舱体内部七氟丙烷浓度分布可以得出七氟丙烷施放和流动扩散过程，在施放初期（0.01～0.2s），七氟丙烷主要集中在喷嘴至所对应的壁面处的区域内，由图5中1.0s、3.0s、5.0s和7.0s时刻七氟丙烷浓度分布可以看出，喷嘴附近及其顶部区域内七氟丙烷浓度高于其他位置，表明随七氟丙烷继续施放，该区域内高浓度的七氟丙烷主要向舱体上部和其他部位低浓度区流动扩散。由14.0s时刻七氟丙烷浓度分布可以看出，舱体内部颜色几乎相同，即舱体内部七氟丙烷体积浓度相同，表明施放完毕后，舱体内部七氟丙烷逐渐扩散至均匀状态。

图4 七氟丙烷灭火剂流线示意

图5 不同时刻舱体内部浓度分布（颜色与浓度的关系同图4）

图5很好地展示了不同时刻舱体内部七氟丙烷灭火剂浓度变化情况，在此基础上，对舱体内部七氟丙烷灭火剂分布进行定量分析，对舱体内部的浓度分布进行检测，分别检测舱体内部0m、0.2m、0.4m、0.6m和0.8m高度处截面上的七氟丙烷气体平均浓度，检测位置如图6所示。

图6 七氟丙烷浓度检测位置示意

图7 不同位置处灭火剂浓度随时间变化

图7为不同位置上七氟丙烷浓度随时间变化曲线，由图7可以看出，在灭火剂施放期间，舱体底部（0m）七氟丙烷平均浓度较高，主要由于施放的七氟丙烷气体由喷嘴施放先达到舱体底部所致。灭火剂施放过程中，舱体各截面处七氟丙烷气体平均浓度相差不大，表明灭火剂施放速度较大，七氟丙烷扩散速度快。施放结束后，舱体各检测点七氟丙烷浓度几乎一致，七氟丙烷平均浓度大约为3%～4%。根据灭火要求，七氟丙烷灭火剂浓度需达到5.8%时，才能把火面熄灭。可见该工况下七氟丙烷灭火剂浓度偏低，无法达到灭火要求。

图8 七氟丙烷浓度随时间变化曲线

3.3 灭火剂用量对浓度分布的影响

在灭火过程中所需灭火剂的用量是衡量灭火剂灭火性能的一个重要指标，灭火剂用量直接影响舱体内部灭火剂浓度分布。上述研究工作表明，对于本研究的舱体，如果灭火剂选用七氟丙烷，且用量只有0.85kg时，灭火剂施放完毕后，舱体内七氟丙烷浓度只有3%～4%，达不到灭火浓度要求，需增加灭火剂的量。为此，本研究采用模拟方法考察了灭火剂用量对七氟丙烷浓度分布的影响。

图8对比了灭火剂用量分别为0.85kg和1.75kg时七氟丙烷浓度随时间变化情况。由图8可以看出，当灭火剂用量增加时，灭火剂在舱体内的施放、流动、扩散规律变化不大，但是数值上有所变化。由图8（b）看出，当七氟丙烷用量为1.75kg时，灭火剂施放完毕后，舱体内部七氟丙烷平均摩尔分数约6%～7%，可达到灭火要求（5.8%）。

4 结 论

（1）在分析七氟丙烷灭火剂灭火过程中灭火剂施放、流动和扩散行为特点的基础上，基于流体力学基本理论，结合k－ε双方程湍流模型，建立了描述七氟丙烷灭火剂施放、流动和扩散过程的数学模型，并给出了相应的数值求解方法。

（2）采用建立的数学模型对舱体内七氟丙烷灭火剂的施放、流动和扩散过程进行了模拟研究，得到了舱内七氟丙烷灭火剂的流场和浓度分布情况。模拟结果表明，在喷嘴附近七氟丙烷灭火剂流动速度较快，且七氟丙烷浓度较高；随着施放时间的延长，七氟丙烷灭火剂在舱内的流动和扩散，速度和浓度逐渐降低。当灭火剂施放结束，舱体内各位置浓度分布比较均匀。

（3）当七氟丙烷用量为0.85kg时，舱体内七氟丙烷浓度约为3%～4%，达不到灭火浓度要求；当七氟丙烷用量增加到1.75kg时，舱体内七氟丙烷浓度约为6%～7%，可达到灭火浓度要求。

（4）模拟结果与实验结果一致，验证了所建立的数学模型的合理性，该数学模型可拓展运用到实际车辆灭火系统的模拟分析中。

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