手提活塞式高压细水雾发生器特性仿真研究

, , , 　, 　(.中国海洋大学 山东省海洋工程重点实验室， 山东 青岛　26600；2.国家海洋局 南海维权技术与应用重点实验室， 广东 广州　500；.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院， 北京　009)

引言

高压细水雾是指工作压力不小于8 MPa，距喷嘴1 m 处平面上形成的雾滴直径Dv0.99大于200 μm的水微粒[1]。水与环境相容、与火相克、热容量(4.2 J/(g·K))大、气化潜热能(2442 J/g)高等特性及细水雾属性，如雾滴直径微小，表面积大，热交换性能优良，增强降温效果；吸收热量后迅速汽化，体积急剧膨胀(达到1700多倍)，降低了氧气浓度，抑制氧化反应速度；优越的隔热辐射传递性能等[2,3]，使得细水雾灭火技术具有传统灭火技术，如水喷淋、卤代烷灭火等，无可比拟的优点，近年来，在国际上受到广泛深入的研究，主要研究表现在以下几个方面。

(1) 细水雾灭火机理方面

对细水雾灭火机理的研究主要集中在细水雾与火焰的相互作用规律及细水雾抑制扑灭火灾的主导机理等方面的分析。杨立军等[4]利用非线性突变理论，研究了细水雾灭火过程，推导出了火焰能量函数及火焰临界熄灭温度的表达式，得到了细水雾扑灭正庚烷油盆火熄灭边界，并进行了相关实验论证。LIU[5-7]详细论述了细水雾灭火机理，得出细水雾是在冷却、窒息、阻隔辐射热及浸润等作用下达到控制、抑制、扑灭火灾，并对细水雾扑灭不同类型火灾的机理及过程进行了理论及试验研究，得出针对不同类型火灾，其抑制扑灭火灾的主导机理及过程是不同的，所需的细水雾特性，如雾滴直径、喷射距离等也存在差异。

(2) 喷嘴设计及雾化特性方面

对于喷嘴的设计及雾化特性，国内外学者已展开了大量研究工作。范文宏等[8]介绍了一种离心喷嘴的结构，并对其流场特性进行了仿真研究，指出边壁粗糙度对喷雾锥角有很大影响。周华等[9,10]研发了一种两级雾化喷嘴，分析了喷嘴直径、喷雾压力等对雾滴直径、喷雾密度分布等雾化特性的影响，并对其灭火性能进行了实验研究，结果表明该喷嘴雾化效果好、灭火能力强。YOON[11]通过旋流雾化实心锥喷嘴的流量系数及雾化锥角的理论及实验研究，指出当旋流系数小时，流量系数受其影响小；当旋流系数大时，流量系数随之增大而减小，而雾锥角随之增大而增大。Geoff等[12]对典型喷嘴的雾锥角、流量、雾滴分布等进行了大量的试验研究，为细水雾喷嘴的设计及选择提供了依据。

(3) 细水雾灭火系统研发及应用方面

由于细水雾灭火技术安全、环保、灭火机理先进、灭火效果好，使其应用基本不受场所限制，尤其是对高危险场合的局部保护和对密闭空间的保护特别有效。目前，已研制出固定式、车载移动式、手提式三类细水雾灭火系统，在陆上(如室内、隧道等)[13，14]、海上(如船舶)[15]及太空(如空间站)[16，17]都有应用的介绍。

综上所述，现有的研究侧重于灭火机理、雾化机理、雾滴特性、喷嘴及系统研发上，而对细水雾灭火系统，特别是手提式的系统的静动态特性，如灭火时长、工作压力等研究甚少。

手提式高压细水雾发生器的结构及工作原理类似于液压蓄能器，它预先将能量转变为势能储存起来，喷雾时，又将势能转变为水的动能释放。首先，由于结构尺寸的限制，其储能有限，影响灭火时长；其次，由于能量的释放，其工作压力变化较大，影响雾化特性及灭火效能。因此，有必要对这些特性进行研究，以优化手提式细水雾发生器的设计。

设计研制了一款手提活塞式高压细水雾发生器，建立了其数学模型，对充水及喷雾过程进行了仿真研究，详细分析了充水速度、喷雾瞬间压力、活塞直径等参数对活塞运动特性、腔内压力及温度的影响，为设计手提活塞式高压细水雾发生器提供依据。

1　设计

1.1　工作原理

借鉴液压蓄能器结构、蓄能方式及工作原理，文中的手提式高压细水雾发生器采用充气活塞式结构，如图1a所示：主要由进气阀、缸体、活塞(密封圈)、手动启闭阀及喷嘴等组成。其工作原理如图2所示：① 预先通过进气阀向下腔充入一定压力pgc的气体；② 更换喷嘴为过渡接头，通过过渡接头及手动启闭阀向上腔充入高压水，活塞下移，压缩下腔气体，实现蓄能过程。蓄能完成后，关闭手动启闭阀，更换过度接头为喷嘴，以备使用；③ 开启手动启闭阀，在下腔高压气体作用下，活塞上移动，高压水通过喷嘴雾化，实现灭火； ④ 重复过程②③，实现细水雾发生器重复使用。细水雾发生器工作循环如图3所示：①喷雾过程，由于喷雾时间较长，过程较缓慢，可假设此过程中，气体腔的变化是等温变化；②放置过程，由于此时水和气体体积均无变化，故此过程为等容过程；③充水过程由外部水液压系统控制，能慢速和快速充水。慢速充水是等温过程，为喷雾的反过程，在此不做讨论；快速充水过程中，气体压缩快，可认为此过程为等熵过程。

图1　手提活塞式高压细水雾发生器

图2　细水雾发生器工作原理

图3　细水雾发生器工作循环

1.2　计算

参照NFPA 750-2006《细水雾灭火系统规范》[1]及国标GB 4398-1999《手提式水型灭火器》[18]，确定样机参数如下：

(1) 灭火剂量Vw≈0.4 L；

(2) 有效喷雾时间T≥15 s；

(3) 工作压力范围8～12 MPa，最高工作压力14 MPa；

(4) 喷射剩余率(%)=Vu/Vw≤5%(Vu为残余水体积)。

由上述分析知：

(1)

(2)

计算得：

Vgc=Vg3=1200×103mm3

Vg1=Vg2=800×103mm3

pg1≥14.1 MPa，T1≥344.5 K

(3)

相关尺寸关系：

Ahw=Vw2-Vw3，A(H-hp)

(4)

式中，A、d、hp分别为活塞面积、直径及厚度，H为腔体总高，hw为液体腔高度。

选择一个活塞直径d，就可以计算出气体腔、液体腔的高度；根据强度要求，可计算出腔体壁厚。其他方面的设计，如进气阀、手动启闭阀可参考相关流体传动与控制方面的资料，在此不作阐述。

2　数学模型

由上述分析知，手提活塞式细水雾发生器是先通过高压水源向液腔充水，通过活塞压缩高压气体，以储存能量，然后开启阀门，压缩气体通过活塞驱动水，经喷嘴雾化，实现灭火。其关键过程为充水过程和喷雾过程。

2.1　充水过程

充水过程的物理模型如图4a所示，对活塞作受力分析得：

(5)

流体的体积弹性模量E可表示为：

(6)

对于液体腔：

Vwt=Vu+Ax

(7)

由式(7)和式(8)得：

(8)

(9)

对于气体腔(忽略水压缩性)：

Vgt=Vgc-Ax

(10)

(11)

由式(10)和式(11)得：

(12)

图4　细水雾发生器充水及喷雾过程

2.2　喷雾过程

喷雾过程的物理模型如图4b所示。对活塞作受力分析得：

(13)

对于液体腔：

Vwt=Vgc+Vu-Ax

(14)

由式(7)和式(15)得：

(15)

选用Danfoss喷嘴180Z1918，其最大工作压力为14 MPa，喷射角为60°，流量特性近似表达为：

(16)

式中，qwt为通过喷嘴的流量(L/min)；pwt为喷嘴进口端压力(Pa)。

由式(1)得：

(17)

对于气体腔：

Vgt=Vg1+Ax

(18)

pgtVgt=pg3Vg3=pgcVgc

(19)

故：

(20)

(21)

(22)

主要参数有充水速度q、溢流阀调定压力ps、预充气体压力pgc、摩擦力Ff、活塞直径d及质量m、阻尼系数c、残余水的体积Vu、水的体积弹性模量Ew。其中Ff、c不仅取决于密封圈预压缩量、活塞及腔体内壁表面质量等因素，而且受活塞直径、工作压力、运动速度等因素的影响，很难确定，但手提活塞式细水雾发生器具有以下特征：

(1) 活塞直径变化范围小考虑到外观的美感，腔体的高度与直径之比应接近1∶0.618(黄金分割)，如选取活塞直径d=100 mm，可计算出hw≈51 mm，hgc≈102 mm；

(2) 活塞运动速度低如喷雾时，活塞(d=100 mm)运动的平均速度为hw/T≤3.5 mm/s；

(3) 工作压力范围小：8～12 MPa。

因此，在本研究中Ff、c取为常数。主要参数见表1。

表1　主要参数表

3　结果与分析

根据式(21)、(22)，在MATLAB中利用四阶龙格库塔法对手提活塞式高压细水雾发生器的充水及喷雾过程进行仿真研究。

3.1　充水过程

本过程主要研究充水速度(流量)对充水时间、活塞运动特性、液体腔压力、气体腔压力及温度的影响。图5～图8分别是在预充气压力为8 MPa、溢流阀调定压力14 MPa，不同充水速度qw下，活塞位移、速度、液/气腔压力及气体腔温度随时间变化曲线，从图中可以看出：

图5　充水速度对活塞位移的影响

图6　充水速度对活塞速度的影响

图7　充水速度对腔内压力的影响

(1) 活塞运动特性、腔内压力及温度变化趋势基本一致；且充水速度越快，完成时间或达到稳态时间越短。

图8　充水速度对气体腔温度的影响

(2) 活塞位移先与时间呈线性增大，然后趋于稳态值；且充水速度越大，位移变化越快，稳态值略大。

(3) 活塞速度瞬间上升至稳态值，运动一段时间后较缓慢的下降至零；且充水速度越大，稳态值越大，速度上升幅度(瞬间加速度)越大调整时间越长。

(4) 液体腔压力瞬间上升并超过气体腔压力，并快速趋近于气体腔压力，随后液体腔压力略高于气体腔压力，并一起低速爬升，最终趋于平衡；且充水速度越大，压力上升越快，趋于稳态所需时间越短。

(5) 气体腔温度先随时间呈非线性上升，然后趋于稳态值；且充水速度越大，温度上升越快，稳态值略大。

根据充水结束时气体腔压力及温度、放置过程特点(等容过程)、喷雾瞬间气体腔温度(室温)计算出喷雾瞬间气体腔压力。

3.2　喷雾过程

本过程主要研究喷雾瞬间压力及活塞直径对喷雾过程中的喷雾时间、活塞运动特性、液腔压力、气腔压力等影响。变化规律曲线如图9～图12所示，从图中可以看出：

图9　活塞位移变化曲线

图10　活塞速度变化曲线

图11　活塞加速度变化曲线

(1) 活塞运动特性(位移、速度及加速度)和腔内压力变化趋势基本一致，且喷雾时间均大于15 s。

(2) 活塞位移先随时间呈抛物线增大，然后趋于稳态值；稳态速度受喷雾瞬间压力影响小，而受活塞直径影响大。

(3) 活塞速度瞬间快速上升，且出现较大波动，然后趋于稳态，缓慢减小，喷雾结束时迅速降至零；喷雾瞬间压力越高波动越大，稳态值越大，喷雾时间越短；活塞直径越小，波动越小，稳态值越大，活塞直径对喷雾时间影响较小。

(4) 活塞加速度瞬间出现较大的波动，然后在较短时间内不大于0.5 s趋于一个稳态微小值；且喷雾瞬间压力越高或活塞直径越大，波动越大。

(5) 腔内压力先与时间呈非线性减小，喷雾结束时，液腔压力迅速降至零，气腔压力趋于定值；且喷雾瞬间压力越高，腔内压力越大，喷雾时间越短；活塞直径对腔内压力变化影响较小。

图12　腔体内压力变化曲线

由上述研究得出，在满足设计要求下，活塞直径越小越好，喷雾瞬间压力越低越好。结合前节及充水过程的分析，选取活塞直径d=100 mm，喷雾瞬间压力pg2=12 MPa。由式(1)～式(4)可计算得手提活塞式细水雾发生器其他尺寸及预充气压力，在此不再赘述，研制出的样机如图1b所示。

4　结论

设计研制了一款手提活塞式高压细水雾发生器，对其充水及喷雾过程进行了仿真研究，详细分析了充水速度、喷雾瞬间压力、活塞直径对活塞运动特性、腔内压力及温度等的影响。得出：

(1) 对同一细水雾发生器，充水越快，充水所需时间越短、活塞运动速度越大、腔内压力变化及温度上升越快，但充水速度对充水结束后状态影响小；

(2) 相同灭火剂量下，喷雾瞬间压力越高，喷雾时间越短，活塞运动速度及波动和加速度波动越大，压力下降越快；

(3) 相同灭火剂量下，活塞直径越小，活塞位移越大，活塞运动速度及波动和加速度波动越小，但活塞直径对灭火时间及腔内压力影响小；

(4) 在满足设计指标下，活塞直径越小，喷雾瞬间压力越小，活塞运动速度及加速度波动越小。

参考文献：

[1]NFPA®750， Standard on Water Mist Fire Protection Systems[S]. National Fire Protection Association, Quincy, MA, 2010.

[2]NDUBIZU C C,ANANTH R,TATEM P A,MOTEVALLI V.On Water Mist Fire Suppression Mechanisms in a Gaseous Diffusion Flame[J].Fire Safety Journal,1998,(31):253-276.

[3]ZHU N. Experimental Performance Evaluation of Water Mist Fire Suppression System[D]. Hangkong: The Hong Kong Polytechnic University, 2008.

[4]杨立军, 佟明羲, 赵建波.细水雾灭火的突变分析[J].北京航空航天大学学报,2013, 39(3):1-4.

[5]LIU Z G, KIM A K. A Review of Water Mist Suppression Technology:Part I Fundamental Studies[J]. Journal of Fire Protection Engineering, 2000, 10(3):32-50.

[6]LIU Z G, KIM A K. A Review of Water Mist Suppression Technology:Part II Application studies[J]. Journal of Fire Protection Engineering, 2001, 11(1):16-42.

[7]LIU Z G,KIM A K,CARPENTER D.A Study of Portable Water Mist Fire Extinguishers Used for Extinguishment of Multiple Fire Types[J].Fire Safety Journal,2007,41(1):25-42.

[8]范文宏,凌宗余,富庆飞,杨杰.小几何特性小孔径细水雾离心喷嘴的数值模拟[J].北京航空航天大学学报,2011,37(5):538-544.

[9]周华,朱畅,范明豪,杨华勇.高压旋芯喷嘴的雾化特性[J].农业机械学报,2006,37(1):58,63-66.

[10]邓东,周华,杨华勇.新型细水雾灭火喷嘴的仿真及试验[J].机械工程学报,2006,42(12):122-127.

[11]YOON S H, KIM D Y, KIM D K and KIM B H. Effect of Nozzle Geometry for Swirl Type Twin-fluid Water Mist Nozzle on the Spray Characteristic[J]. Journal of Mechanical Science and Technology,2011,25(7):1761-1766.

[12]TANNER G, KNASIAK K F. Spray Characterization of Typical Fire Suppression Nozzles[C]. The 3rd International Water Mist Conference, Madrid, Spain, 2003:1-16.

[13]ZHAO J B, YANG L J. Experiment and Prediction of Fire Extinguishment with Water Mist in and Enclosed Room[J]. Journal of Thermal Science, 2013, 22(1):71-79.

[14]吴国鑫. 长大交通隧道高压高效细水雾灭火系统研究[D]. 大连:大连海事大学, 2011.

[15]杜友威. 新型船舶细水雾喷头的设计与研究[D]. 大连:大连海事大学, 2009.

[16]巴鑫, 罗小辉, 朱玉泉, 刘银水. 微重力状态下细水雾雾场特性仿真[J]. 华中科学大学学报(自然科学版), 2011, 39(10):6-9.

[17]DIETRICH D L, RUFF G A, EASTON J W , et.al. Towards the Development of a Specification for Portable Fine Water Mist Fire Extinguisher for Spacecraft Application[C]. The 41st International Conference on Environmental Systems, Portland, Oregon, 2011:1-8.

[18]GB 4398-1999,手提式水型灭火器[S].