三氟甲烷灭火系统压力变化规律的数值模拟研究

□文/张伟

三氟甲烷灭火系统压力变化规律的数值模拟研究

□文/张伟

三氟甲烷灭火系统是以洁净气体三氟甲烷为灭火剂的哈龙替代灭火系统，具有灭火效率高、灭火速度快、环境污染小等优势。文章通过CFD方法对其在管道内流动进行三维数值模拟研究，分析了三氟甲烷在管网中的压力和密度的分布状况，获得了三氟甲烷在各个管段的压力损失状况，解决了照搬原有旧公式计算压力损失所带来的不适应性等难题。

三氟甲烷灭火系统；CFD数值模拟；压力损失

三氟甲烷灭火系统是近十几年发展起来的洁净气体灭火系统之一，它的灭火性能优良，适用于许多对保护对象安全程度要求高的场所。在工程实践中，设计者往往需要根据保护区的大小来确定灭火剂的用量和管网的设计，再根据压力损失情况确定存储装置的压力，保证安全高效地灭火，三氟甲烷灭火剂在管网中的压力分布状态和损失情况在整个系统的设计中占有重要地位。本文通过CFD理论，利用FLUENT模拟软件对三氟甲烷在管网中的状态进行数值模拟。

1　三氟甲烷灭火系统

三氟甲烷是洁净气体灭火剂中沸点低、饱和蒸汽压高的一种灭火剂且密度较低，仅为空气的2.4倍左右，非常适合向高楼层和压力损失较大的复杂管网及时输送灭火剂扑灭火灾。它主要通过化学作用灭火，在火灾的高温中产生的活性基团夺取物质燃烧必需的游离基，中断燃烧的链式反应达到灭火的目的，这个过程非常迅速，灭火速度快、效率高，而且三氟甲烷还具有其他气体灭火剂不常具备的优势和特点，如不导电、灭火浓度低、灾后无残留，对臭氧层的耗损潜能值ODP值为0，环保性能好，是国际环保组织和我国正式公布允许使用的几种洁净气体灭火剂之一。作为近几年来新发展起来的灭火系统，三氟甲烷灭火系统以其自身的优点适应于大多有贵重物品、电信设备和人员活动的场所。如：计算机房、通讯机房、网络机房、电力控制室、图书馆、档案馆、博物馆及电气设备和资料等防护区。

2　三氟甲烷在管网中的流态假定

在三氟甲烷系统的设计中，三氟甲烷在管网中的流动状态可以认为是以气相流为主，忽略液相流，假定的理由如下。

1）三氟甲烷的沸点很低，管道内壁上的液体会瞬间气化。在气液两相流系统中，液体以液膜的形式附着在管壁周围，当气体的流速较高时，液膜有可能覆盖整个圆周，形成环状流。同时，在垂直上升管和水平管中，当管壁的温度高到能使液膜汽化时，气液两相流动的流行就变为雾状流型，即气相中还含有微小的液滴。

三氟甲烷灭火剂在喷放过程中气压大，流速高，所以即使有液体被带入管道，也会形成环状流的两相流型，在管壁整个圆周上附着有三氟甲烷的液膜。三氟甲烷的沸点为-82℃，临界温度为25.8℃，在常温下管壁的温度对于三氟甲烷来说已算是高温，所以三氟甲烷在常温下管道内流动形态接近于雾状流，这时管壁上的液膜都将在短时间内蒸发为气体，沿着管道向前流动。三氟甲烷在管壁上能够迅速汽化，所以在管网中流动时，三氟甲烷液体造成的压力损失所占的比例较小。

2）在只有10 s的喷放时间内，存储瓶内蒸发的三氟甲烷气体体积远远大于其液态体积。

目前的三氟甲烷储存瓶都是以质量做为填充标准，以规格为70 L、充装比为1.5、三氟甲烷质量为46 kg的单个存储瓶为例，在20℃标准大气压下，三氟甲烷的液态密度为806.6 kg/m3，气体密度约为2.8 kg/m3，则存储瓶内液态总体积

所以V气=280V液

在短短10 s的喷放时间中，喷出的三氟甲烷气体体积是液体体积的280倍。

所以，可以认为三氟甲烷的喷放过程是一个三氟甲烷在存储瓶内不断蒸发，然后气体进入管道中充满管网的过程，期间气体体积在管网中占据了绝对大的空间，即使喷放时从存储瓶中带出了一部分液体到管道中，这些液体也会在很短时间和很短距离内快速挥发为气体沿着管道继续向前流动，流动的推动力来自三氟甲烷存储瓶内不断挥发的非常高的饱和蒸汽压力。由于单个存储瓶内三氟甲烷完全挥发为气体的体积远大于液体体积并在极短的时间完成这个过程，所以在管网中流动时，液态三氟甲烷的影响较小，整个管网充满的几乎是气体三氟甲烷，造成压力损失的也主要是气体，所以在研究时可以考虑采用气体单相流的设计思路。

3　计算模型

3.1模型的建立与网格的划分

本研究所用的三氟甲烷系统的简化装置来自塘沽某建筑物灭火系统，装置模型见图1。

存储瓶90 L，灭火剂用量64 kg，充装比为1.4 L/kg，喷放时间10 s，管网为钢管，AB段管径DN40 mm，BC段管径DN32 mm，喷头为22号。附件当量长度：连接管0.6 m、单向阀3.6 m、选择阀6 m、逆止阀0.6 m、弯头（DN40 mm）1.6 m、弯头（DN32 mm）1.4 m、转弯直管部分0.9 m、转弯支管部分3.1 m。

本研究的目标是建立三氟甲烷在管网内的压力模拟方法，因此抽象装置时只需建立管网的模型。本研究中建立压力模拟的模型时，考虑到管道模型具有对称性和规则性，建立一个三维的物理模型，为便于模拟，对管网进行了必要的简化。将弯头、转接管、阀门等转化为其当量长度并在长度上，见图2。

图1　三氟甲烷系统装置

图2　简化计算模型

将模型导入Gambit中进行网格划分，采用六面体/锲形结构网格。

3.2模型的设置及边界条件

管网中的流动为非定常流动且压力和流速都较大，因此本研究可视三氟甲烷为可压缩气体，各处的密度有所不同，不计重力。连续性方程、动量方程及能量方程联立耦合求解。模型本身并不复杂，采用具有稳定性、经济性且计算精度比较高的标准模型作为湍流模型湍动模型。标准模型是一种高雷诺（Re）数模型，即是针对湍流发展非常充分的湍流流动而建立的模型。但是，对于湍流发展并不充分的近壁区，湍流的脉动影响可能不如分子粘性的影响大，在更贴近壁面的底层内，流动可能处于层流状态。标准模型在这些区内使用会产生模拟不准确问题。为解决这个问题，采用壁面函数法处理固壁边界。进口边界条件设为质量流的形式，本试验灭火剂质量为64 kg，喷放时间为10 s，则Q=0.95× 64/10=6（kg/s）。出口压力边界条件，根据国内一些地方规范规定三氟甲烷灭火系统喷口最低工作压力，设为1.4 MPa。压力—速度耦合求解，压力项采用PRESTO格式离散，对流项采用QUICK格式离散，湍流耗散项采用二阶迎风格式离散求解。

4　模拟结果与分析

4.1压力场

从图3中可以很清楚地得到管道各点的压力变化情况。壁面总压沿整个流动方向呈递减趋势。管道底部质量进口的平均总压为2.87 MPa，顶部的压力出口的平均总压为1.71 MPa，管道总长为24 m，进出口压力总损失为1.16 MPa。

图3　管道三维壁面压力

从图4a可见，在进口直管内部总压的分布呈现对称性；直管内的轴心压力大于管壁压力且平均总压沿程递减。原因可能是，随着气体的不断流动，管壁边界层对气流产生流动阻力，使得管壁周围的压力首先减小并通过气体粘性的作用将这种影响逐层地向管道轴心方向传递，所以，在流动持续一段距离后，轴线处始终保持的进口总压力在某个横截面也将减小至与管壁相同的压力，这时管内的压力又将以一个值均匀地分布在管道内，出现上述进口处的分布状况。

弯头内部的压力分布情况见图4b，弯头前的直管总压对称分布，壁面处总压较小；弯头中的总压分布在管壁很小的厚度内压力相同并小于轴心处压力；管道内壁的等压层的厚度为进口处小于出口处，管道外壁情况相反；弯头后的一段距离内管道总压分布对称，管道上壁压力大，靠近弯头内壁出口处的压力低；随着气体的流动，这种情况逐渐消失，又恢复直管内的总压分布状况，即分布对称、平均压力沿程递减以及轴心压力高于壁面压力。这可能是由于管道中的气流经过弯头时出现边界层分离现象，即气流进入弯头后，在离心力的作用下管轴线中心的高压高速气体向弯头外壁方向挤压，与弯头内壁的低速气流产生流动分离，挤压外壁低速气流，所以外壁气流层厚度逐渐变小至消失，内壁气流层厚度增大并且管壁周围气流的压力几乎相等，形成同等压力的等压层。若中心气流速度很大，在弯头内壁处还可能出现多个低压气流等压层并且越靠近管轴中心的压力层的压力越大。

从图4c可见管网出口处弯头内部也出现流动分离现象，但是弯头后的直管段长度很短，流动分离现象不能消失，所以在管网末端的喷头处仍将受到其影响，即末端直管道外壁压力大于管道内壁并在其间形成多个同等压力层，在喷嘴上方的管段内呈现出3个不同的压力层，压力大小由内向外增大。

图4　管道二维轴心剖面压力分布

4.2密度场

直管内气体密度在整个管段呈减小趋势。管网底部质量入口截面的平均密度为77.5 kg/m3；第一个弯头B进口截面的平均密度为73.25 kg/m3，出口处截面的平均密度为73.05 kg/m3，密度逐渐减小；到压力出口截面处时，平均密度减小到40.88 kg/m3。所以在24 m长的管段中，气体的密度减少了一半左右。图5a可见进口直管内气体密度均匀分布，不同于直管内压的分布，管道内各截面上的密度保持一致，轴线中心的密度与管壁处的密度相同。管内局部弯头和出口弯头处密度分布有一致特征（图5b和5c）：外壁处密度最大，形成一个具有一定厚度的高密度层；这个密度层的密度大于弯头两侧的直管密度。弯头内壁处密度最小，也形成一个有一定厚度的低密度层，密度层的密度低于弯头两侧的直管密度且内外壁中间没有一个过渡的密度层，中间层的密度接近于弯头两侧的直管密度。

图5　管道二维轴心剖面密度分布

4.3模拟状况总结

通过以上的模拟，得到了管网内部压力场和密度场的分布状况。

4.3.1压力场

1）进口直管内部轴心剖面的总压分布状况呈现对称性、轴心压力大于管壁压力和平均总压沿程递减的特点。

2）弯头内部的总压分布状况由于存在气流的边界层分离现象，内壁存在多个总压等压层，越靠近外壁压力大小越大；管道内壁的等压层厚度随流动逐渐增大，而管道外壁情况相反，等压层厚度逐渐减小至消失。

3）出口管段内总压分布受边界层分离现象影响，在喷嘴上方直管内出现出3个不同的压力层，压力大小由内向外增大。

4.3.2密度场

1）进口直管内气体密度分布状况为密度均匀分布并在整个管段内呈减小趋势。

2）弯头内部密度分布存在多个等密度层，越靠近管道外壁，等压层密度越大。

3）管网末端管道内密度分布相似于进口直管内的密度分布状况，即均匀分布并在整个管段内呈减小趋势。

5　结论

通过管网压力场模拟结果，在保证末端压力＞1.4 MPa的同时，依据各段压力值可确定各段管道、喷头和泄压口的型号，同时可以校核管网管径大小满足流量需求，确定起始压力值约2.9 MPa。通过密度场模拟结果，可以得单体覆盖区域设计浓度。通过整体防护区域划分及净容积的划分，可以选择及合理布置灭火剂数量及布置方位。最后，使得整体区域都有效地被灭火系统覆盖，达到施工验收的技术要求及标准。

对于图书馆、档案馆、博物馆等以A类火灾为主的防护区，灭火设计浓度采用19.5%；计算机房、通讯机房、油浸变压室、配电室等以电器类火灾或B类火灾为主的防护区、灭火设计浓度采用15.6%。系统设计一般采用全淹没方式，通过管网系统和预制装置，将整体防护区覆盖。

TU998.1

C

1008-3197（2016）03-11-04

2016-01-10

张伟/男，1987年出生，助理工程师，天津市市政工程设计研究院，从事工程设计工作。

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.03.005