稳流器结构对导流式消防水炮流动特性的影响

2024-02-02方正向黎乐党救李浩翥唐珏菁沈雷虎李栋赵传文

排灌机械工程学报 2024年2期

方正,向黎,乐党救,李浩翥,唐珏菁,沈雷虎,李栋*,赵传文

(1. 中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司,上海 200001;2. 南京师范大学能源与机械工程学院,江苏南京 210046)

特高压直流输电技术凭借输电距离远、输电容量大、电能耗损小等特点已在国内外得到广泛应用,然而多起严重的变压器火灾事故,使得特高压换流变压器的消防问题引起了人们密切关注[1-3].

消防水炮是远距离扑灭火灾的重要消防设备.消防水炮按喷嘴的结构不同可分为直流式和导流式[4],其中导流式炮头可根据可调节伸缩装置自由切换柱状与雾状射流模式.雾状模式的射程较近,但灭火范围大;柱状模式的射程远,可以实现远距离灭火.由于变压站火灾可能会出现二次爆燃,做到远距离灭火可以保障消防人员的安全,因此文中拟对导流式消防水炮柱状工作模式下的流场特性展开研究.

为提高消防水炮的灭火效率,目前诸多学者主要通过调整消防水炮的内部结构与安装导流板来提升消防水炮的综合性能.刘力涛等[5]对影响消防水炮喷嘴喷射性能的几个关键因素进行了分析,结果表明,喷嘴的出口直径、喷芯结构、出口直流部分的长度等因素都对水炮喷射性能有决定性的影响.刘俊[6]基于数值模拟与构建响应面模型(RSM)的方法,对导流式炮头内部导流杯芯进行结构优化,发现导流杯芯倒角结构对水炮水力性能的影响较大.袁丹青等[7]对安装导流板的消防水炮流道进行了数值模拟,结果表明安放导流片可消除管内湍流核心区,改善流动状态.XIANG等[8]研究了连续变截面S形管管身的内部流动,发现安装导流板后出口紊流扰动大大减小.

此外,稳流器结构也是提升消防水炮和水枪射程及水力学性能的重要结构.常见的消防水炮稳流器按截面形状划分主要有星形稳流器、多矩形稳流器、蜂窝形稳流器、弹尾形稳流器、梅花形稳流器以及组合形式的稳流器[9].王红霞[10]对消防水枪内产生湍流的原因进行了分析,并对安装蜂巢形整流装置的消防水枪进行了实体试验,结果表明蜂巢形整流装置可以显著提升消防水枪喷射距离.严海军等[11]对安装弹尾形稳流器的消防水炮进行了数值模拟分析,结果表明安装稳流器可以明显消除涡流和横向流,提高喷头出口速度的均匀性.向清江等[12]设计了截面积近似相等的3种稳流器,进行了水炮设计流量为1 500 m3/h下的内部流动数值模拟,结果表明加装稳流器对流动状态改善效果明显,出口轴线上速度的增加均大于无稳流器的情况.袁晓明等[13]研究了均布叶片数量、圆角、轴向长度和改进的两段式稳流器结构对稳流器水力学性能的影响,确定了叶片数量为6的改进型稳流器具有较优的综合性能,并通过试验对稳流器的性能进行了验证.李萍等[14]对装有不同型式稳流器的喷头内部三维流场进行数值模拟,结果发现稳流器的形式直接影响了喷头的质量.张静等[15]对安装分段错位布置稳流器的直流水枪进行了射流试验及模拟研究,研究表明分段的稳流器能降低水枪射流扩散作用与涡旋强度.张海春等[16]利用数值模拟研究了三叶片星形稳流器端部结构对直流水枪流动阻力和湍流动能的影响,确定了入口侧端部凹陷、出口侧端部凸起的改进型稳流器具有较优的综合性能.YAN等[17]对PY140喷头内稳流器的安装展开了数值模拟,结果表明安装稳流器可以改善喷头的内部紊流,并使喷头出口处的流速更加均匀.

以上研究主要关于稳流器结构对直流式消防水炮和水枪性能的影响,而关于稳流器对导流式消防水炮内流场影响的研究较少.因此,文中对安装星形稳流器的导流式消防水炮内水的流动展开数值模拟,并分析同体积条件下稳流器数量、长度以及布置方式对流体流动特性的影响.

1 数值模拟计算方法

1.1 几何模型与网格划分

文中主要探究稳流器数量、长度及排列方式对消防水炮性能的影响.利用Solidworks将不同长度、数量的六肋式星形稳流器安装在消防水炮的喷嘴芯末端,消防水炮具体尺寸如图1所示.其中,为对比稳流器进出口处的流动变化,在喷嘴芯末端建立截面A,在稳流器出口建立截面B.稳流器的类型有5种(T1,T2,T3,T4,T5),如图2所示,数量分别为0,1,2,4和8个,稳流器的长度分别为0,80,40,20,10 mm,相邻2个稳流器均为交叉排列布置,交叉角度均为30°.

图1 消防水炮物理模型示意图Fig.1 Schematic diagram of physical model of fire fighting water cannon

图2 消防水炮稳流器示意图Fig.2 Schematic diagram of flow stabilizers of fire fighting water cannon

消防水炮物理模型采用ANSYS的Meshing模块进行网格划分,采用非结构化网格形式,网格数量为75～168 万,如图3所示.此外,对网格的无关性进行验证,以安装T3稳流器的消防水炮为例,如图4所示,随着网格数量的增大,截面A的平均速度v接近不变,选择网格数量N为85 万的模型进行数值计算.

图3 几何模型网格划分Fig.3 Geometry model meshing

图4 网格无关性验证Fig.4 Grid independence verification

1.2 数学模型

在高压作用下,水流速度较快,为湍流形式.文中选择RNGk-ε模型来模拟管道内水的流动,k方程和ε方程分别为

(1)

(2)

1.3 边界条件的设定

炮头模型的入口为压力进口,设置为0.8,1.0,1.2 MPa,管道的出口为压力出口, 设置为标准大气压力.壁面的边界条件设为无滑移,压力场和速度场的耦合求解方法采用 SIMPLEC算法[8],迭代的松弛因子采用软件默认值,各变量的收敛残差设置为10-4.

2 结果分析与讨论

2.1 稳流器结构对轴线速度的影响

对带不同结构稳流器的消防水炮进行数值模拟.图5为不安装星形稳流器的消防水炮速度流线图,图中水流从水炮的入口处进入,依次流经4个弯头,受弯头影响水流发生了绕弯和旋转.当水流经消防水炮的直管段,消防水炮内部流速不均匀,进而影响了消防水炮射程.

图5 消防水炮流线图Fig.5 Streamline diagram of fire fighting water cannon

消防水炮内流体的轴线速度是影响射流距离的重要因素,文中对入口压力1.0 MPa消防水炮喷嘴芯末端与稳流器出口截面位置的轴线速度进行了对比分析,如图6所示,图中vq为截面上的轴向速度.

图6 轴向速度云图Fig.6 Axial velocity clouds diagram

稳流器的安装可以改善消防水炮内流体轴向速度分布.从图6a可以看出,当流体未流经稳流器时,流体轴向速度不均现象严重,消防水炮右侧的轴向速度明显小于左侧的.以图6c为例,当安装T2结构的星形稳流器时,流体流经稳流器后,右侧的速度明显提高,均匀性得到了改善,但部分叶片间仍有大面积低流速区域.为进一步提升稳流器的稳流效果,在稳流器体积一定的条件下,通过缩减单个稳流器的长度,将不同数量稳流器交叉布置,探究一种最优的稳流器排列布置形式.以T2与T3为例,当流体流过稳流器截面B时,T3(叉排布置)右侧的轴向速度明显大于T2(顺排布置)的,截面流动的均匀性有所改善.值得注意的是,当通过缩短稳流器的长度,增加叉排布置的数量时,如图6e,6f所示,尽管右侧轴向速度有了一定的提升,但在管道中心位置会出现局部的流体扰动,甚至出现反方向流动现象,如图6e,6f中蓝色区域所示.

为更好地对比说明不同稳流器的稳流效果,文中对截面横向轴线上的速度进行了量化分析,如图7所示,图中d为轴线上从左向右的距离.当消防水炮头中未设置稳流器时(PA),由于流体流经弯管后管道内外侧压力不均匀,流体的流动状态不稳定,流体轴线速度在同一截面分布不均,其中左侧的流速较高,最大速度为17.2 m/s,右侧的速度较小,速度集中在8.0～9.0 m/s,速度不均匀程度严重.在流体流过稳流器后的截面B位置处,T2—T4流体截面速度的均匀性均有所改善,可以明显看到安装稳流器后右侧的流速均有不同程度上的提升,这是因为截面A处的不均匀流体在流经不同类型的稳流器后被分为多股水流,进而消除了内部的强旋流流动[17].但由于T5型稳流器存在反流现象,流体速度波动较大.总体来看,从图中可知,T3型叉排布置的稳流器稳流效果最佳,平均速度约为13.5 m/s.右侧的流体速度总体接近平均流速.

图7 不同稳流器结构消防水炮的截面轴向速度云图Fig.7 Cross-sectional axial velocity clouds of fire fighting water cannons with different flow stabilizer structures

2.2 消防水炮内的逆向流动与涡旋

值得注意的是,当稳流器长度缩短至10 mm,增加叉排数量后,在靠近截面中心处的最小流体速度为-2.1 m/s.对该局部区域进行矢量分析,如图8a所示,靠近中心壁面位置的地方出现了明显逆向流动与涡旋.而T3型稳流器出口截面没有出现逆方向流动,如图8b所示.

图8 消防水炮内部速度矢量图Fig.8 Internal speed vector diagram of fire fighting water cannon

与单叶片长度40 mm且数量为2的稳流器相比,当单个稳流器的长度缩小至10 mm且数量为8时,流体流过的截面积变小,平均流速变大,雷诺数增大,流体流动状态不稳定,更易产生旋涡与逆向流动.

图9为T3与T5类型流经稳流器的压力变化截面云图.

图9 消防水炮截面压力云图Fig.9 Cross-sectional pressure clouds of fire fighting water cannon

由于受到阻碍作用,流体流过稳流器叶片时的流速下降,压力增大,在叶片前形成了顺压区.当流体从叶片两侧流过时,流速开始增大,两侧增大的流速使得叶片后的压力降低,在叶片后形成了逆压区,稳流器叶片前后的压力差异分布使得稳流器出口出现了回流.如图9所示,由于单叶片的长度较短,且叉排布置的数量较多,压力损失更大,与T3稳流器的内部流场相比,T5稳流器出口的逆压区更明显,更易形成回流区.

2.3 稳流器结构对消防水炮湍动能及压降的影响

出口湍动能表示单位质量流体紊流脉动动能.为进一步分析稳流器类型对消防水炮性能的影响,对不同入口压力下5种类型消防水炮的进出口湍动能值进行了量化分析(均采用面积加权).

图10为不同稳流器类型消防水炮的进出口湍动能差值,图中Δk为进出口的湍动能差;pin为入口压力,安装稳流器可以减小消防水炮的进出口湍动能.以入口压力1.0 MPa的工况为例,当消防水炮没有安装稳流器时,其进出口湍动能差值最大,流体湍流程度更高,为3.36 m2/s2.而增加稳流器后,消防水炮进出口湍动能差均有所减小.从图中可以看出,T3消防水炮湍动能的减小最为明显,仅为2.81 m2/s2,与没有安装稳流器的消防水炮相比,结构四的进出口湍动能差值优化了16.3%.且随着入口压力的提高,不同类型消防水炮的进出口湍动能差呈上升趋势,稳流器对湍动能差的改善更为明显.

图10 不同稳流器类型消防水炮的进出口湍动能差值Fig.10 Difference in turbulent kinetic energy between inlet and outlet of fire fighting water cannon with different flow stabilizers

为探求稳流器布置方式对消防水炮内压力损失的影响,对截面A与B间的压力变化进行了分析,如图11所示,图中p为不同截面的压力值;L为距滤芯末端处的距离;Δp为不同稳流器类型下的进出口压降,安装稳流器会增加消防水炮内的压力损失.且随着稳流器叉排布置数量的增加,流体的压力损失增大.如图所示,稳流器数量为1时,压力损失为29.57 kPa,当稳流器数量增加为2且叉排布置时,压力损失升至39.47 kPa;而当稳流器数量为8且交叉布置时,压力损失达到最大为103.24 kPa.因此在实际设计稳流器时,增加稳流器的叉排布置数量来提升消防水炮的性能是有限的,过多数量的叉排布置会造成较大的压力损失.