贮木场火灾细水雾喷头结构改进与CFD仿真

辛 颖，秦奋起，李耀翔，邢 涛，冯国红，

侯卫萍，杨铁滨，方海峰

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

贮木场是原木生产、贮存和销售的场所[1-2]，由于原木贮存量大，堆积的时间长，容易出现阴燃，形成大面积火灾的危险性大，一旦发生火灾难于扑救。传统的针对贮木场的灭火方式主要有水喷淋和采用哈龙为灭火剂的灭火形式，这两种方式都有明显的缺点。水喷淋的灭火效率较低，对货物损坏严重；哈龙灭火剂是利用卤代烷的复杂链式反应达到灭火作用，反应过程中可以产生大量的活性自由基，这些自由基与大气中的臭氧反应，使臭氧层产生空洞，对环境危害较大。细水雾灭火技术是一种新型的灭火技术，它的基本原理是将液态水雾化，通过增加液滴与火焰的接触面积、对燃烧物的空气隔离、冲蚀火焰等作用使灭火的效率成倍地增加，不会产生二次污染[3]，对于易燃类、易爆类物品的灭火效果好，对于贮木场的火灾是一种较好的灭火方式。

影响细水雾灭火效果的因素很多，如：填加的催化剂类型，外界压力，细水雾喷头结构等，其中细水雾喷头的结构是影响细水雾灭火技术一个最重要的因素，不同结构的细水雾喷头可以在相同的外界压力下产生不同的细水雾质量。根据目前现有细水雾喷头的常用结构，提出了增加多级雾化机构来改进细水雾喷头的方法，并对改进前后的喷头效果进行模拟，模拟发现，该方法可以改善细水雾的质量，提高细水雾的灭火效率。

1 细水雾灭火方式概述

在美国的消防联合会制定的用于规范细水雾技术的NPFA750标准中，细水雾定义为：是指在最小的设计工作压力下，在距离喷嘴1 m处的平面上，在水雾最粗处的水微料99％的直径体积直径(Dv0.99)不大于1 000 μm。通常一般的水喷淋这一参数在5 000 μm以上[4-5]。

按照细水雾中雾化得到的水微粒的大小，一般将细水雾分成三级，如图1所示。

图1 细水雾雾径分级图

随着数值计算方法、气体动力学、流体动力学、两相流体动力学及CFD模拟与仿真技术的迅速发展，使细水雾喷嘴的设计日趋系统化[4]。目前，人们已经开发了很多不同类型的喷嘴，结合雾化的原理，细水雾在消防方面的雾化喷头可分成四类：旋转式、压力式、气动式和其它式。旋转式喷头是将水通过高速旋转的圆盘、圆杯或甩油盘等，由于离心力的作用，水将被甩出在表面张力的作用下实现雾化，压力式喷头是借助压力的作用实现雾化的，气动式喷头是利用气体与液体之间的相互挤压、剪切的作用实现液体的雾化，有的喷头是利用超声或静电技术来实现的雾化的。其中，结构最为常见的是压力式喷头[6]。

2 压力式单回路喷头的改进

本文初步选取压力式喷嘴结构，具体型号选用单路喷嘴，该种喷头形成的细水雾的雾动量较大、射程较大，可以满足贮木场消防要求的雾动量大，射程大的要求，不足的是难以满足雾化锥角，雾粒均匀度的要求，因此需要对不足之处做针对性的改进。

本文通过设计二级雾化结构的喷嘴改进雾粒均匀度的问题，提高射程，使灭火的方向更容易调节，使其对贮木场灭火要求更加适应，其结构如图2所示。

图2 二级雾化机构示意图

3 CFD仿真模拟

3.1 CFD仿真模拟的模型

本文采用Fluent软件进行模拟，绘制图形后，用Gambit划分网格，导入Fluent中模拟喷头所形成水雾的速度分布、压力分布。模拟条件如下：未改进喷头雾化喷嘴直径d1为1 mm，长度l1为5 mm；改进后的二级雾化喷嘴的第一级雾化喷嘴与未改进的喷头的喷嘴尺寸相同，第二级雾化喷嘴的直径d2依次取1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.0 mm；相应的长度l2取5.0 mm。借助模拟的速度场图和密度场图，来确定能形成最好灭火性能的细水雾的第二级喷嘴的最优尺寸。

模拟的条件为：为了便于模拟对喷嘴进行一定的简化，对称的网格采用非结构外的网格技术来建立，为了快速求解将网格划分为24 000个，将喷雾空间设置喷雾轴向l×喷雾径向r为6 m×2 m，辅相为流体水，主相气态空气，不考虑其它的条件变化。

初始条件为：喷嘴的内部为流体水，外部为空气，喷嘴入口处为外界压力入口，设为高压3 MPa，喷嘴出口处为压力出口，设为一个标准大气压[8]。

为了对比改进后的二级雾化结构喷嘴与一级雾化结构喷嘴雾化性能，模拟在相同的外界条件下所形成的细水雾的速度场、压力场和密度场。

3.2 模拟过程

通过Fluent软件模拟确定最优的尺寸，具体的方法是根据不同的第二级雾化喷嘴的直径产生的模拟效果，观察不同的尺寸产生的密度云图，速度云图，压力云图。密度越均匀表明产生的雾化效果越好，速度云图与压力云图能表明喷雾的动量大小，反映的是其射程，同样的条件下，射程远的喷嘴灭火效果较好，所谓较优的尺寸也是以二者为指标的[9-11]。

图3 不同尺寸的第二级雾化喷嘴的密度云图

在图3中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为改进的第二级雾化喷嘴的直径为1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.0 mm时的密度云图，可以发现，其密度分布呈现的规律是：二级雾化喷嘴的直径在1.2～3.0 mm变化时，其雾化的均匀度是呈大概的抛物线变化的，在直径为2.8 mm附近时的均匀度最好，也即雾化效果最好。

图4 不同尺寸的第二级雾化喷嘴的速度云图

在图4中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为改进的第二级雾化喷嘴的直径为1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.0 mm时的速度云图。从这些速度云图中可以看出，二级雾化喷嘴的直径在1.2～3.0 mm变化时，其喷雾动量呈大概的抛物线变化的，在直径为2.8 mm附近时最优。

图5 不同尺寸的第二级雾化喷嘴的压力云图

在图5中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为改进的第二级雾化喷嘴的直径为1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.0 mm时的压力云图。通过图5可以看出，随着二级喷嘴直径的增大，喷嘴所形成的细水雾雾锥的锥面处的压力变化较小，其内部的压力变化较大，在二级雾化喷嘴直径为2.8 mm时得到的压力云图分布明显较其它尺寸时理想。

上述模拟过程中确定了喷头的最优结构尺寸后，再进行压力式单路喷嘴的CFD仿真与模拟，图6是分别为压力式单路喷嘴的模拟的密度云图、速度云图和压力云图。

图6 压力式单路喷嘴的模拟图

3.3 模拟结果分析

密度云图可以直观地表现出所形成的细水雾的粒径的分布，对比二级雾化机构的密度云图如图3所示。可以看出二级雾化喷嘴的直径为2.8 mm时的分布更为均匀；速度云图可以直观地表现出喷雾的动量大小，进而表明喷雾的射程大小[12]，对比速度云图图4看出二级雾化喷嘴的直径为2.8 mm时的速度分布更好，直径为2.8 mm的水雾射程最大，当直径继续增大到3.0 mm时，其射程又略微减小，在压力云图图5中也反映了同样的现象。

综合以上的速度云图、密度云图、压力云图的分析，取最优的二级雾化结构的尺寸为2.8 mm，达到雾粒均匀的雾化要求，射程也最优，认为该尺寸是改进结构的理想尺寸。

同时，分析对比改进前后喷头的密度云图、速度云图[13]。密度云图中，二级雾化机构的雾粒的均匀度明显高于单级机构，尤其表现在较远的空间内；压力云图中，在二级雾化喷嘴的尺寸为2.8 mm时所形成的内部的压力优于其它尺寸，表明内部的雾粒更为均匀；速度云图中，二级雾化机构的速度分布更为合理，其射程有了很大的提高。

4 结 论

本文结合仓贮木场的灭火要求，提出了对压力式单回路细水雾喷头的改进结构，并进行CFD的仿真模拟，得出以下结论。

(1)在压力式单路喷嘴的基础上，改进为二级雾化机构，提高了雾化的质量。

(2)通过CFD的仿真模拟发现，改进后的二级雾化喷嘴较单级雾化结构性能有了很大的提高，主要表现在细水雾的喷雾动量和射程方面两个方面。这种高射程、有着更好雾粒均匀度的细水雾可以有效地抑制火势，快速地控制贮木场易形成大型火灾的特点，更符合贮木场的消防要求。

【参 考 文 献】

[1]辛 颖，薛 伟.贮木场楞堆燃烧温度场数值模拟试验[J].西部林业科学，2011，40(3)：28-35.

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[3]王帅军，辛 颖，刘 念，等.基于fluent的一种细水雾喷头的设计仿真[J].森林工程，2013，27(3)：100-104.

[4]周 华，邓 东，周善怀，等.高压单相流细水雾灭火系统的研制及实验研究[J].消防科学与技术，2004，4(7)：351-353.

[5]张诚建.消防与环境保护的关系研究[J].河南科技，2012，37(24)：131.

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