基于CFD-PBM模型的消防车气液混合器仿真分析

摘要：气液混合器是压缩空气泡沫发生系统的关键部件之一，其内部流场的分布对压缩空气泡沫发生系统的性能具有重要影响。利用Fluent软件，建立混合器CFD-PBM耦合模型，研究不同进气方式对气液混合器内部流场和泡沫粒径变化过程的影响，结果表明：侧壁进气式混合器相对于中心进气式混合器，虽然气液混合均匀性稍差，但混合器内部压力损失更小；中心进气式混合器气液混合初期泡沫以聚并为主，混合后期以破碎为主，侧壁进气式混合器气液混合初期泡沫以破碎为主，混合后期以聚并为主，同中心进气式混合器相比，侧壁进气式混合器产生的泡沫更为致密，粒径大小均一性更好，分布更加均匀。

关键词：气液混合；CFD-PBM；泡沫；混合器

中图分类号：U469.6+8 收稿日期：2023-08-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.012

1 前言

压缩空气泡沫系统（Compress Air Foam System，CAFS）是一种消防车用高效绿色环保的新型消防灭火装备，通过将空气与水和泡沫混合，并利用高压气体将其喷出，形成一种能有效抑制火势的泡沫状喷射物，从而有效地阻止火势的扩大和燃烧。与传统纯水灭火方式相比，CAFS具有泡沫能量高、稳定性好、泡沫混合比调节范围广等优点，被广泛应用于各种火灾救援中。气液混合器是CAFS的关键部件之一[1]，其工作原理是将压缩空气与泡沫液按照一定比例，分别通过管道流入气液混合器，然后泡沫液在高速压缩空气的冲击作用下，经过混合、碰撞产生高能量灭火泡沫。为了提高泡沫液灭火性能，在混合过程中气液两相需要尽量充分混合，产生尺寸均一的泡沫[2]。因此，气液混合器的结构对CAFS的气液混合性能和灭火效果起到关键作用。

目前，在CAFS系统中常用的气液混合器进气形式主要为中心进气和侧壁进气。研究气液混合器内部流场分布和泡沫粒径大小分布规律是提升CAFS性能的关键，鉴于CAFS的气液混合速度极快，通过实验观察的方法进行分析存在较大难度。近年来，随着计算机技术的不断发展，仿真模拟被广泛应用于流场分析[3-4]。本文运用Fluent软件建立CAFS的气液混合器CFD-PBM仿真模型，对气液混合过程进行仿真分析，对比分析侧壁进气式和中心进气式两种混合器内部流场压力、速度、液相分布情况及泡沫粒径变化过程，为优化气液混合器结构，提升CAFS性能提供理论参考和设计依据。

2 分析模型

2.1 湍流模型

Fluent软件提供了Standard k-ɛ、RNG k-ɛ和Realizable k-ɛ三种湍流模型，其中Realizable k-ɛ模型是一种新的湍流模型，综合了其他两种模型的优点，求解精度高，适用范围广，在复杂的湍流流动模拟和工程应用中具有重要作用。CAFS系统气液混合器两相混合时速度变化较大，易产生较大的湍动能，因此本文选用Realizable k-ɛ湍流模型用来模拟流体中的湍流运动。湍动能k和耗散率[ε][5]方程分别如下：

式中，[σk]、[σε]分别为湍动能k和耗散率[ε]；[ρ]为流体密度；[xi]、[xj]分别为x、y方向分量；[Tk]为由平均速度梯度产生的湍动能；[Tb]为由浮力影响产生的湍动能；[YM]为可压缩湍动脉动膨胀对总的耗散率的影响；[μ]为分子粘度系数；[ut]为湍流粘性系数。

2.2 群平衡模型

群平衡模型（Population Balance Model，PBM）是研究基于离散粒子聚并和破碎过程中粒子直径大小变化情况的一种基础理论模型，是迄今研究离散粒子群破碎、聚并等过程中最成熟的也是应用最为广泛的方法。在气液两相混合过程中气泡主要发生聚并与破碎现象，PBM通过在动量和能量守恒的基础上添加一个群平衡方程来描述气泡变化情况，群平衡方程引入了数量密度函数来表示气泡群，通过气泡直径尺寸的变化来描述气泡的行为特征，PBM方程[6-7]表示为：

式中，右边第一项和第二相分别为气泡聚并产生相和死亡相；第三项和第四项分别为气泡破碎产生相和死亡相；[v]为气泡的原始体积；[v]为子气泡的体积，[a（v，v）]为气泡聚并速率；[n（v，t）]为气泡数密度；[bv]为气泡破碎函数；[βvv]为气泡破碎时的概率密度函数。

Luo模型是一种广泛应用于模拟气泡聚并与破碎的通用模型，在计算颗粒破碎速率和子颗粒大小分布函数方面具有较强的优势[8]。因此本文选用Luo聚并和破碎模型，表面张力系数设置为0.072。

3 气液混合器仿真分析

3.1 两种混合器进气结构方案

中心进气式混合器三维模型如图1a所示，进气管道位于混合器变径段，进气口倾斜段与混合器轴向夹角为45°，水平段与混合器同轴。侧壁进气式混合器三维模型如图1b所示，进气管道位于混合器侧壁且与混合器轴线垂直。

3.2 网格划分

为了兼顾计算精度和计算效率，流体域网格划分采用多面体网格形式，最大网格尺寸为3 mm，并对近壁面区域的网格进行细化加密以满足计算精度要求。为了便于对比分析，两种方案的网格大小、边界条件和计算设置均保持一致。侧壁进气式混合器流体域整体网格和局部网格如图2所示。

3.3 边界条件设置

多相流选用Mixture模型，介质为泡沫混合液与压缩空气，其中主相为泡沫混合液，第二相为压缩空气，根据克拉伯龙方程[4]可以计算出0.6 MPa的压缩空气密度为7.35 kg/m3。压缩空气和泡沫液边界入口均设置为速度入口，根据管道流量与管径大小计算出泡沫液和压缩空气入口速度，大小分别为1.17 m/s和102 m/s，出口为压力出口，壁面为无滑移光滑壁面。计算选用SIMPLE算法，采用一阶迎风差分格式，在Fluent软件中迭代计算直至收敛。为了便于对比分析，假设初始泡沫直径均为0.5 mm，且混合过程中泡沫仅发生聚并和破碎现象。

4 对比分析

4.1 流场分布对比分析

对上述中心进气式混合器仿真分析后，混合器纵向截面液相分布云图、压力云图、速度云图如图3所示。

由图3可知，中心进气式混合器的压缩空气主要分布于混合器中心部位，泡沫液主要分布于混合器上下两侧，压缩空气从进气口进入混合器内部后，沿水平方向射出，逐渐向四周扩散直至出口，高速流体分布范围广，气液混合均匀性好。由于进气管道阻碍流体的影响，混合器内部压差为0.12 MPa。

侧壁进气式混合器进行仿真分析后，混合器纵向截面液相分布云图、压力云图、速度云图如图4所示。

从图4可以看到，侧壁进气式混合器压缩空气流经进气管道进入混合器后，与混合器底部内壁近似垂直撞击，然后大部分流体沿着混合器底部内壁向出口方向流动，少部分向泡沫液进气口一侧反射。压缩空气主要集中在混合器内壁底部，泡沫液主要分布于混合器中上区域。混合器内部气液混合区压力较为均匀，最大压差为0.086 MPa。同中心式进气混合器相比，侧壁进气式混合器气液混合均匀性较差，但压力损失相对较小。

4.2 泡沫粒径分布对比分析

为了分析不同混合器内部气液混合后泡沫粒径变化过程，分别提取混合器的不同截面处的泡沫粒径分布，两种混合器的距离出口450 mm截面和出口截面泡沫粒径直方图如图5、图6所示。

从图5可以看出，中心式进气混合器在距离出口450 mm处截面上泡沫粒径分布范围较广，其中粒径在0.6～0.7 mm范围内的泡沫占比相对较高，占比为16.8%，而在出口截面处泡沫粒径范围大大缩小，粒径为0.5～0.6 mm和0.6～0.7 mm范围的泡沫占比分别增加至37.8%和57.4%，同时，粒径为0.7～2 mm范围的大粒径泡沫显著减少，占比减少至4.8%。这表明中心式进气混合器气液混合初期泡沫以聚并为主，混合后期以破碎为主。

从图6可以看到，侧壁进气式混合器距离出口450 mm截面上泡沫直径主要为0.4～0.5 mm，占比约为70%，而在出口截面上直径为0.4～0.5 mm范围的泡沫占比减少至47%，泡沫直径为0.5～0.7 mm范围的占比提高至46%。这表明侧壁进气式混合器在气液混合初期泡沫以破碎为主，后期以聚并为主。结合前面流场分析可知，侧壁进气式混合器在气液混合初期，高速的压缩空气流射入混合器内部后与底部内壁发生碰撞，泡沫在碰撞的过程中由于外力的作用发生破碎，虽然混合后期以聚并为主，但是泡沫整体粒径均较小。同中心进气式混合器相比，侧壁进气式混合器产生的泡沫更为致密，粒径大小均一性更好，分布更加均匀。

5 结语

本文通过对消防车压缩空气泡沫系统侧壁进气和中心进气两种混合器进行气液混合仿真分析，结合流场分布和泡沫粒径分布结果比对，可以得出以下结论：

a.侧壁进气式混合器相对于中心进气式混合器，气液混合均匀性稍差，但混合器内部压力损失更小。

b.中心进气式混合器气液混合初期泡沫以聚并为主，混合后期以破碎为主，侧壁进气式混合器气液混合初期泡沫以破碎为主，混合后期以聚并为主，同中心进气式混合器相比，侧壁进气式混合器产生的泡沫更为致密，粒径大小均一性更好，性能更稳定。

c.基于CFD-PBM模型对不同结构形式的气液混合器进行对比仿真分析，为进一步优化气液混合器结构设计提供理论参考和设计依据。

参考文献：

[1]李何伟，张潆月，蔡峥，等.压缩空气泡沫灭火系统气液混合器的研究现状[J].机械研究与应用，2021，34（6）：203-206.

[2]初迎霞.CAFS中流动参数与泡沫形态关系的试验研究[D].北京：北京林业大学，2005.

[3]袁野.压缩空气泡沫系统气液混合特性及实验装置研究[D].武汉：华中科技大学，2019.

[4]劳煜强.压缩空气泡沫消防车混合器与管道系统的研究[D].广州：广东工业大学，2022.

[5]李琛，马玉山，高强，等.基于Realizablek-ε模型的控制阀流场特性研究[J].宁夏大学学报（自然科学版），2014，35（4）：328-331.

[6]侯朋朋，王春华，潘振，等.垂直管内水合物浆液流动特性的CFD-PBM数值模拟[J].石油化工高等学校学报，2019，32（1）：60-66.

[7]Alam H S，Sutikno P，Fauzi S T A，et al. CFD-PBM coupled modeling of bubble size distribution in a swirling-flow nanobubble generator[J].Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics，2022，16（1）：79-86.

[8]Zhang Chunhua，Lu Bona，Wang Wei，et al. CFD simulation of an industrial MTO fluidized bed by coupling a population balance model of coke content[J].Chemical Engineering Journal，2022，446：101-110.

作者简介：

闻健，男，1988年生，工程师，研究方向为汽车有限元分析、特种车辆装备开发。