离心式细水雾喷嘴结构设计和参数优化_高媛媛

1、灭火系统设计离心式细水雾喷嘴结构设计和参数优化高媛媛，黄晓家，谢水波，周帅，刘欢（南华大学，湖南衡阳；中国中元国际工程公司，北京）摘要：应用模拟多种结构形式的离心式细水雾喷嘴内外部流场的压力分布和速度分布，并对喷嘴的个主要结构参数即进口数目、喷嘴圆柱段长度、出口半径进行正交试验，数值模拟得出各试验喷嘴出口速度，从而得到优化的结构参数。研究表明：压力损失与过渡段圆滑程度有关；流体的速度在喷嘴的收缩段迅速增加；喷嘴出口半径对喷嘴出口速度的影响最大。关键词：；细水雾；喷嘴结构；正交试验中图分类号：，文献标志码：文章编号：（）细水雾作为一种哈龙替代品，在近些年来得到了快速的发展。其灭火速度较快，对环境

2、无污染。因水对烟雾有吸收作用，细水雾可以大大降低火灾中的烟气体积百分比及毒性；因液滴吸热，能冷却火场温度。细水雾喷头是细水雾灭火系统的关键部件之一，其良好的雾化性能和持续工作性能是灭火的保证。喷嘴内部流体的流动状况取决于喷嘴的结构尺寸，并决定了喷嘴的出口流态，而喷嘴的出口流态直接影响其雾化效果和细水雾场的使用效率。目前，有研究者利用软件对高压水射流切割喷嘴、喷气织机主喷嘴、两相流喷嘴等进行数值模拟，研究喷嘴管长、大小、形状等不同几何参数对喷嘴内部阻力的影响。但对细水雾喷嘴内部流场进行分析的研究尚少，笔者选用中的模型，对喷嘴内部流场进行了数值模拟，分析了流体运动速度与压力分布情况，获取常见的喷嘴

3、中最佳喷嘴几何结构。模型的建立常见的喷嘴结构形式有以下几种：一种是圆形孔口型，另一种是圆锥收敛型。笔者采用的喷嘴形式简化为以下图形，如图所示。采用种类型的喷嘴，喷嘴结构参数见表。图喷嘴形式简化图表喷嘴模拟几何参数喷嘴喷嘴直径圆柱段直径喷嘴圆柱段长度锥形直线段长度出口圆柱段长度喷嘴喷嘴喷嘴喷嘴喷嘴边界条件首先对喷嘴内部流场，即连续相介质水进行稳态条件下的数值模拟，采用标准模型。入口边界定在喷嘴的两个切向入口，为压力型进口，进口压力为。出口边界定在喷嘴的出口截面，为压力型出口，出口压力为。数值模拟结果分析喷嘴流场压力分布对于流动状态的流体，压强分为静压和动压。对于不可压流体，保持不变，动压的大小与

4、速度平方成正比。流体的流动过程实际上就是能量的转换过程，能量由压力势能转换为流体的动能，具体表现就是速度增加，反映在压力上就是动压增加。在能量交换的过程中存在损失，喷嘴的压力损失越小，出口速度越大。根据喷嘴中心平面压力分布图，可以看出动压在喷嘴收缩段压力梯度大，压力变化明显；在喷嘴圆柱段压力梯度小，压力变化率相比于收缩段不是非常明显。除了喷嘴之外，压力的变化很均匀。喷嘴出口段，压力出现了负值。这是由于流体通过旋转室到出口过渡段时，旋转室径向尺寸较大，喷嘴出口段直径很小，流体类似于通过突然缩小的厚壁小孔而产生的局部压力降低。由此可见，喷嘴和喷嘴的压力损失最小，能量损失也最小。根据喷嘴中心轴线平面

5、上静压力和动压力分布图，总体上流体的静压力随着旋转半径和轴坐标值的减小而降低。动压力的变化刚好相反，这说明随轴坐标值的减小液滴的速度越来越快。在此过程中，由于流体离心力减小，引起流体静压力的变化。喷嘴在出口圆柱段和喷嘴圆柱段的交接处压力变化很大，且喷嘴的压力损失比其他几种类型都要大，说明压力损失与过渡段圆滑程度有关。喷嘴流场速度分布从喷嘴中心轴线图可以看出，流体速度在喷嘴收缩，段速度梯度大，速度变化明显。在流体表面垂直于轴向的速度存在明显的梯度变化；除喷嘴外，各个喷嘴的速度变化很平缓。喷嘴在圆柱段和出口圆柱段的交接处速度变化很急剧。从出口速度分布图中可以看到，出口处流体切向速度的最大值均出现在

6、中心区域位置，而在在靠近喷嘴内壁边界层区域，因为受壁面的摩擦阻力的作用，切向速度急剧下降到零。除喷嘴的速度相对较小之外，其他几个喷嘴的速度均为，喷嘴的速度最大。喷嘴参数优化从以上数值模拟研究中初步选定喷嘴为该研究选定切割喷嘴，现对其几何参数进行优化设计，为此进行正交试验设计。该试验是通过喷嘴的出口速度大小来优选喷嘴的几何参数，选用影响喷嘴出口速度的如下个因素：进口数目；喷嘴圆柱段长度；出口半径。每个因素有个水平，列成表所示的因素水平表。表因素水平表水平因素进口数目个喷嘴圆柱段长度出口半径根据表进行正交试验设计，正交试验直观分析计算见表。表正交试验直观分析计算表试验号因素进口数目个喷嘴圆柱段长度

7、出口半径喷嘴出口速度按各号试验的条件进行模拟试验，记录个喷嘴的模拟试验结果。喷嘴出口速度为试验考察的指标，组试验的结果如表所示。计算因素的极差，据极差大小可知因素的主次顺序为出口半径、进口数目、喷嘴圆柱段长度。根据表还可以得到喷嘴的较优几何参数，如表所示。从正交试验结果可以看出，在进口数目、出口半径、喷嘴圆柱段长度三个因素中，出口半径对喷嘴出口速度的影响最大，半径过大或过小均不能得到最佳结果。喷嘴的进口数目也是影响喷嘴速度的主要因素，进口数目越多，出口速度越大，但是过多的进口数目不利于加工。表较优喷嘴几何参数进口数目个喷嘴圆柱段长度出口半径结论（）在喷嘴的收缩段，动压增大，静压减小，速度随动压

8、增大迅速增加，流体静压力由于离心力减小而降低。（）出口处流体切向速度的最大值均出现在中心区域位置，而在靠近喷嘴内壁边界层区域，切向速度为零，这是因为液滴受到壁面摩擦阻力的作用，动能减少。（）在喷嘴的个主要几何参数中，影响喷嘴出口速度最大的参数是喷嘴出口半径，过大或过小的出口半径均不能得到最佳结果。喷嘴的进口数目也是影响喷嘴速度的主要因素，进口数目越多，出口速度越大，但是进口数目过多会增加加工难度。参考文献：，：周章根，马德毅基于的高压喷嘴射流的数值模拟机械制造与研究，（）：，（）：，（）：韩占忠，王敬，兰小平流体工程仿真计算实例与应用北京：北京理工大学出版社，王福军计算流体动力学分析软件原理与

9、应用北京：清华大学出版社，李福宝流体力学北京：冶金工业出版社，赵选民，徐伟，师义民，等数理统计北京：科学出版社，（，；，）消防科学与技术年月第卷第期灭火系统设计新型泡沫灭火装置在风电机组中的应用汪礼苗，陈琳光，汪杨天骄（安徽省消防总队，安徽合肥；安徽成威消防科技有限公司，安徽合肥；中国人民武装警察部队学院，河北廊坊）摘要：分析了风电机组火灾隐患多、损失大、扑救难等特性及由于短路、设备质量低劣、雷击、电缆过电流等因素造成火灾的原因；阐述了当前预防和扑救所采用的阻燃、自动探测和自动灭火等技术；重点研究了新型泡沫剂灭火装置的灭火机理、特点及应用，结合风电机组实际，设置火灾场景，进行试验论证，提出了灭

10、火装置在风电机组消防安全中应用的可行性及设计、安装等原则。关键词：泡沫；风电机组；灭火试验中图分类号：，文献标志码：文章编号：（）近年来，我国风电产业迅猛发展，对增加能源供应、调整能源结构和保护生态环境起到了积极作用，但随着大规模风电机组并入电网，产品质量和安全可靠性问题突出，火灾事故频发，对电力系统安全稳定运行的影响也日益显现。针对风电机组火灾的严重性和频发性，分析其火灾特性，合理配置消防设施，有效遏制火灾事故的发生，切实保障电力系统安全稳定运行尤为重要。风电机组火灾特性及原因分析风电机组主要由叶轮、机舱、塔架及控制系统组成櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒，：，；：；作者简介

11、：高媛媛（），女，湖南长沙人，南华大学硕士研究生，主要从事消防理论与技术方面的研究，湖南省衡阳市常胜西路号，。收稿日期：叶轮与机舱形成相对封闭的横向分区，机舱与塔架形成相对封闭的纵向分区，有的塔架由数个平台形成上下相对封闭的数个纵向分区。火灾事故分析认为，风电机组具有以下火灾特性及产生的原因。（）可燃物种类多，电气火灾隐患多。风电机组上采用的可燃物包括各类润滑油、液压油、高压胶管、通风管、电线电缆、隔热吸音棉等，目前，风机叶片、轮毂和机舱外壳等大部分都是玻璃钢复合材料制作，经现场检查及试验，多数为可燃性材料；风机齿轮箱油档下部或连接处的漏油，滴落在地面上与空气中的粉尘、纤维混合形成油泥，这些油

12、泥具有可燃性。风电机组中的电动设备、加热器、变压器、开关柜等电气设备极易产生电气火灾。（）火灾蔓延速度快，容易引起风电场森林和草原火灾。发生火灾时，机舱内火灾蔓延迅速，加之塔架很高，风力较大，火势将快速蔓延至整个机组，叶片和机舱内带有火焰高温的残片掉落在机组周围的大片区域，极易引起风电场森林和草原火灾。（）设备价值高，火灾损失惨，火灾扑救难度大。风电机组中的设备昂贵，火灾造成的间接损失难以计算，风力发电机站设置在偏远地区，路途遥远，消防力量严重不足，目前只能立足自救，防患于未然，发生火灾后，火灾扑救难度极大。（）风电机组火灾主要原因。一是风电机组短路现象频发。年月，全国发生起风电机组脱网事故，多数是开关间隔电缆终端单相故障发展为三相短路；风机箱式变压器架空线引线松脱后两相搭接，引起相间短路；千伏线路侧高跨龙门架跌落到地面，引发系统短路；电池电容发生短路等导致火灾发生。二是风电机组设备质量低劣。年以来，风电机组故障频发，且呈上升趋势，根据风电企业机组故障统计分析，故障主要集