（模式识别与智能系统专业论文）ig100氮气灭火系统关键部件内流动特性研究.pdf

摘要 氮气气体灭火系统药剂仅从空气中提取出来，来源广泛，价格低廉，对环境、 设备无任何损害，不破坏臭氧层，不产生任何的温室效应，较二氧化碳和卤代烷系 统具有环保，安全，经济性好等优势，在国际上已经有几十年的使用经验，技术相 对较为成熟，是符合现代消防要求的系统，也是目前气体灭火系统发展的趋势。 但是，我国氮气灭火系统的研究相对较晚，目前我国对于民用的固定式氮气灭 火系统的研究一直处于空白。虽然广东省建设厅颁布了氮气灭火系统的地方标准， 湖南等省也在积极制订氮气灭火系统的地方标准，但是我国目前仍没有氮气灭火系 统的国家设计规范。氮气灭火系统的设计计算等关键技术仍没有得到很好的解决， 制约了氮气灭火系统在我国的推广使用。研究氮气灭火系统的设计计算，特别是关 键部件，如减压装置、喷头的流动特性及计算方法，对深入研究和认识其内部具体 流动细节及该类部件的设计和性能的优化提高具有重要的意义，对推动我国氮气灭 火系统的研究以及推广经济且环保的氮气灭火系统具有重要的促进作用。 随着现代计算机性能的提高，计算流体力学得到了迅速发展，数值计算的计算 能力和计算精度大大提高，计算结果的可靠性也被大量实验结果所认证，它不仅具 有快捷、高效、经济的特点，而且能详细获得管网管道、阀门、三通等复杂通流部 件的流动细节以及总体特性等参数，因而己成为研究复杂管网内部流动以及各种管 道通流部件设计优化的重要手段。本文针对i g l o o 气体灭火系统的减压孔板和喷头 两种关键部件进行数值模拟，详细分析了气流在减压装置和喷头内压力、速度流场 参数变化过程以及涡系结构等流动细节，得出了部件的压差一流量特性关系、损失一 流量特性关系等，提出了新的工程计算方法，具有重要的工程应用价值，并进行了 系统的实验研究，数值模拟结果与实验结果吻合较好。 关键词：氮气灭火系统计算流体力学数值模拟减压孔板喷头 a b s t r a c t m a t e r i a l su s e db y n i t r o g e nf i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m h a v et h e a d v a n t a g e so fl o wp r i c e ，n od a m a g e t oe n v i r o n m e n t ，e q u i p m e n ta n do z o n e l a y e r ，a n dt h e nn og r e e n h o u s ee f f e c t i tc a nb ee x t r a c t e df r o mt h ea i r ， s oi ss a f e r ，m o r ee n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i c a lt h a no t h e rg a sf i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m ss u c ha sc a r b o nd i o x i d ef i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m s a n dh a l o nf i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m s n i t r o g e nf i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m h a sb e e nw i d e l yu s e d f o rs e v e r a ld e c a d e si nt h ew o r l da n dt h i st e c h n o l o g y i sr e l a t i v e l ym a t u r et o m e e tt h er e q u i r e m e n t so fm o d e r nf i r ef i g h t i n g s y s t e m s m o r e o v e r ， n o wi ti st h ed e v e l o p m e n t a lt r e n do fg a sf i r e e x ti n g u is h i n gs y s t e m s h o w e v e r ，t h es t u d y o fn i t r o g e n f i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m s i s u n d e v e l o p e di no u rc o u n t r y ，e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do ft h ec i v i l i a nu s e o ft h es y s t e m s a 1 t h o u g hg u a n g d o n gp r o v i n c ei s s u e dl o c a ls t a n d a r da n d h u n a np r o v i n c ea n ds oo na r ea c t i v e l y e s t a b l i s h i n gt h ed e s i g ns t a n d a r d ， b u tn o ww es t i l lh a v en on a t i o n a ld e s i g ns t a n d a r d f o rn i t r o g e nf i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m s t h ek e yt e c h n o l o g y i nd e s i g ni ss t i l ln o tb e i n g w e l lr e s o l v e d ，w h i c hr e s t r i c t st h eu s eo fn i t r o g e nf i r e e x t i n g u i s h i n g s y s t e m si no u rc o u n t r y s ot h es t u d yo nc a l c u l a t i o ni nd e s i g n ，e s p e c i a l l y o nt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i ca n d t h ek e yc o m p o n e n t ss u c ha sd e c o m p r e s s o r s a n dn o z z l e sf o rn i t r o g e nf i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m si ss i g n i f i c a n tf o r t h e a c c e l e r a t i o n t h eu s eo fn i t r o g e nf i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m si no u r c o u n t r y w it ht h e i m p r o v e m e n t o ft h e p e r f o r m a n c e f o rm o d e r nc o m p u t e r ，t h e c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sh a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e d ，t h ea b i1i t ya n d a c c u r a c yo fc a l c u l a t i o nf o rn u m e r i c a lv a l u eh a v e b e e ng r e a t l y i m p r o v e d a n dt h er e l i a b i l i t yo fc a l c u l a t i o nh a sa l s ob e e np r o v e db yal a r g en u m b e r o fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s i ti sf a s t ，e f f i c i e n ta n de c o n o m i c ，m o r e o v e ri t c a na c c e s st of lo wd e t a i1so ft h ep ip e s ，v a lv e s ，t e e sa n do t h e rc o m p le x c o m p o n e n t so fp i p en e t w o r k ，t h e ng e tt h ep a r a m e t e r so ft h ep e r f o r m a n c e c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i a s h a sb e c a m eai m p o r t a n tt o o li ns t u d y i n g i n t e r n a lf l o wi nc o m p l e xp i p en e t w o r ka sw e ll a si n d e s i g n i n g a n d o p t i m i z i n gf l o w p a s s a g ec o m p o n e n t so fa l1 k i n d so fp i p e s i nt h i ss t u d y ， t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l o wf o rt h et w oc r i t i c a l c o m p o n e n t s ，t h e y a r e r e d u c i n gv a l v e sa n d n o z z l e s i ni g l o on i t r o g e n f i r e e x t i n g u i s h i n g s y s t e m s ， w a sc a r r i e do u t ，t h eg a sf l o wd e t a i l s s u c ha sw i t h i nt h e c h a n g i n gp r o c e s so ft h ep a r a m e t e r s ( p r e s s u r e ，v e l o c i t ya n df l o wf i e l d ) a n d v o r t e xs y s t e ms t r u c t u r ef o rr e d u c i n gv a l v e sa n dn o z z l e sw e r ea n a l y z e d p a r t i c u l a r l yt h ep r e s s u r e - - m a s sf l o wc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dl o s s - - m a s s f l o wc h a r a c t e r i s t i cc u r v ef o rr e d u c i n gv a l v e sa n dn o z z l e sw e r e g o t t e n t h e nan e w e n g i n e e r i n g c a l c u l a t i o nm e t h o dw a s p r e s e n t e dw h i c hi s i m p o r t a n ti ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s l a s t l yt h ee x p e r i m e n tf o ri g l o o n i t r o g e nf i r e 。e x t i n g u i s h i n gs y s t e m sh a sb e e nc o n d u c t e da n dt h er e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na g r e e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r yw e l l k e y w o r d s ：n i t r o g e n f i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m ，c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， r e d u c i n gv a l v e ， n o z z l e 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：施( 也如 日期：2 汐拜月p 日 授权书 本人同意将所著硕士学位论文工旨f d 口龟勺灭 身。浚 乏垃新件丙溆五为才孑1 钐确宄 著作权中的数字化制品复制权、信息网络传播权和汇编权授权北 京建篁王猩堂院婴究生部行使。上述授权的范围包括：j 匕宝建篁 王猩堂院自己使用或委托他人使用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作 权问题引起的责任。 j 匕立建笪工猩堂医须依照我国著作权法的有关规定，充分尊 重本人享有的著作权权利( 包括获酬权) 。 本授权有效期年。 敝作者：逸l 易妒易 ( 签章) z d b 年多月 9e l 作者联系方式： 地址：怕i 、够研槲哥绞雹券苏q 。笔邮编：1 0 i 7 蝴：6 7 g1s 传真：参78 7 占” 手机i l3 l i 口怂讽电子信箱：s “垆”，f ，j 码e 王以以踟 第1 章绪论 1 1 气体灭火系统发展及趋势 在人类同火灾作斗争的初期，人们就已清楚的认识到采用水作灭火剂可以去扑 救纸张、木材等固体类火灾。2 0 世纪初，自动喷水灭火系统问世后，迅速得到了广 泛的应用。随着社会的进步及生产力的不断发展，许多重要场所的防护采用水灭火 的方法受到了很大的局限，例如液体火灾，气体火灾，电气火灾的扑灭问题，气体 灭火剂在此时开始研究并逐步推广使用n 1 1 。 气体消防并非系指专门扑灭气体物质的火灾，而是指用气体灭火剂去灭火，扑 灭各类可燃物质的火灾。所谓气体灭火剂系指平时以液体、液化气体或气体状态存 贮于压力容器内，而灭火时则都是以充分汽化的气体( 包括蒸气、气雾等) 状态喷 射，喷入防护区，并能在防护区空间内形成各向浓度均一的灭火气体氛围，而且至 少能保持该气体灭火浓度，达到国家规范规定的浸渍时间，完全淹没、快速抑制并 且彻底熄灭该防护区的空间、立体火灾，其灭火机理和系统设计计算主要系以气体 灭火浓度为主体口州。 气体灭火剂的使用最早始于十九世纪末期，德国、美国、法国等西方工业发达 的国家最早使用，二氧化碳灭火剂是当时应用最广泛的气体灭火剂。美国1 9 2 9 年就 颁布了世界上第一个二氧化碳灭火系统标准，英国、r 本、前苏联等工业发达国家 相继制定自己的设计规范或标准。我国于二十世纪五十年代即丌始应用二氧化碳灭 火系统，由于当时国内经济落后，二氧化碳灭火系统在我国应用也极为有限h 7 】。 在研究二氧化碳气体灭火系统的同时，国际社会及一些西方工业发达国家不断 地开发新型气体灭火剂。美国消防协会于1 9 6 8 年率先制订了卤代烷1 2 1 l 、1 3 0 1 ( 又称哈龙) 灭火系统的应用技术标准m 1 ，我国从六十年代也开始了卤代烷灭火剂 的研究，在七八十年代初丌始系统地对卤代烷灭火系统的应用技术研究及相关规范 的制订一一引。我国在上世纪八十年代初期至九十年代中期，卤代烷气体灭火系统的 应用达到了高峰，被广泛用于保护计算机房，通讯机房，档案图书馆等重要场所。 然而卤代烷灭火剂，也就是哈龙，对大气臭氧层破坏严重，严重危及人类生存 环境，因此，1 9 8 7 年，各国在加拿大召丌会议，通过蒙特利尔破坏臭氧层物质议 定书，该议定书于1 9 8 9 年生效，协议书中c f c 及哈龙被限制使用。我国于1 9 9 1 年加入蒙特利尔议定书，2 0 1 0 年将削减1 0 0 的c f c 和哈龙。我困消防行业的哈龙消 费量占全国的三分之一，因此，我国政府提出选择消防行业作为第一个实行行业整 体淘汰计划的领域- 1 8 】。 我国于1 9 9 7 年颁布了中国消防行业哈龙整体淘汰计划，在蒙特利尔多边基金执 委会第2 3 次会议上被批准。随着中国消防行业哈龙整体淘汰计划的实施，哈龙 灭火剂的替代研究深入开展起来，一方面是用其它卤代烷灭火剂代替哈龙，另一方 面是研究新型的“洁净气体灭火剂”。 气体消防的常用气体灭火剂，通常是指以气态喷射、灭火的，诸如二氧化碳、 卤代烷哈龙( 1 2 1 l 、1 3 0 1 、2 4 0 2 等) 、i g 系列灭火气体( i g 0 1 、i g 5 5 、i g l o o 、 i g 5 4 1 等) 和卤代烷的h f c 系列同类气体替代物( h f c 2 2 7 e a 、h f c 2 3 、h f c 2 3 6 f a 、 f i c l 3 1 1 等) ，安全( 带电灭火) 、洁净( 不污损被保护对象) 的气体灭火介质。 我国目前应用较多的卤代烷灭火剂为七氟丙烷，化学式为h f c 2 2 7 ，虽然七氟丙 烷不破坏臭氧层，但是其在大气中的存留时间为3 0 多年，会产生较大的温室效应， 美国等西方国家已不推广使用该产品n 蚓。对于洁净气体灭火剂的研究，美国1 9 9 6 年颁布了洁净气体灭火系统规范嘲，提出了设计应用惰性气体灭火系统( i n e r t g a s ) 。 美国消防协会标准和国际i s o 标准中陋驯，规定“惰性气体类灭火系统”的统 一代号为i g ( i n e r tg a s ) ，共包括i g 0 1 ( 氩气) 灭火系统、i g l o o ( 氮气) 灭火系 统、i g 5 5 灭火系统、i g 5 4 1 灭火系统等四种惰性气体灭火系统。 各气体组分见表1 1 ： 表1 1不同灭火系统气体组分 i g l o o 氮气系i g 0 1 氩气系i g 5 5 系统i g 5 4 1 系统 统统，u 1 0 0 氮气1 0 0 氩气5 0 5 氩气；5 0 氮气；4 2 氩气； 5 0 5 氮气8 二氧化碳 由上表可知，惰性气体系统，以大气中的惰性气体氮气，氩气，c 0 2 为灭火剂， 不但气体的来源广泛，价格低廉，对环境，对设备无任何损害啪1 。在国际上已经有 几十年的使用经验，技术成熟。其臭氧耗损潜能值( o d p ) = o ，不破坏臭氧层；温室 效应潜能值( g w p ) = o ，不产生任何的温室效应。 由于惰性气体灭火系统较七氟丙烷等卤代烷系统具有环保、安全、经济性好等 优势，因此是目前气体灭火系统发展的趋势。 保护生命，保护财产，保护环境是现代消防的三个要求 2 7 3 ，气体灭火系统的 选型，应遵循以下原则。 ( 1 ) 高效。即能允许条件下，最短时间控制并熄灭火势，不复燃。 ( 2 ) 安全。灭火剂要能保证无毒或者低毒，低残留，低腐蚀。 ( 3 ) 前瞻性。要能符合环保等理念，且在较长时间内，技术不会落后而被淘 汰。 ( 4 ) 技术成熟。要保证系统的稳定性和可靠性，安装、管理和维护才有技术 保障。 ( 5 ) 经济性。要使设备达到最大的性价比，且要降低维护成本。 研究表明惰性气体灭火系统是最符合现代消防要求的系统，是多年来在国际上 发展应用较为广泛的系统，也是各国选择替代哈龙产品的首选产品。德国，意大 利，日本等国己制订了相应的产品、设计、施工验收规范标准，我国目前颁布了惰 性气体灭火剂标准幽1 ，产品检验标准啪1 ，气体灭火系统的设计标准阳订和施工验收规 范3 引。 由于美国安素( a n s u l ) 公司最早将i g 5 4 1 引进中国，随后，我国的企业也纷纷 开始生产i g 5 4 1 灭火系统，因此，i g 5 4 1 灭火系统得到了广泛的应用和认知。然 而，相对于i g 5 4 1 灭火系统，药剂来源更广泛的i g l o o 氮气灭火系统却未得到重 视。人们对于惰性气体灭火系统的概念并不了解，认为只有i g 5 4 1 才是惰性气体， 对于氮气、氩气、i g 5 5 等其它惰性气体灭火系统的了解较少。美国n f p a 2 0 0 1 ， i s 0 1 4 5 2 0 标准中对惰性气体灭火系统有较为系统、全面的叙述，我国的g b 2 0 1 2 8 - 2 0 0 6 惰性气体灭火剂中，也规范阐述了惰性气体灭火剂的系列，包括i g l o o 氮 气，i g 0 1 氩气，i g 5 5 和i g 5 4 1 两种混合气体。由此可见，i g l o o 氮气灭火系统和 1 6 5 4 1 灭火系统同为惰性气体灭火系统的范畴，两种系统的主要参数、灭火原理、 性能指标等是相同的。那么，在对氮气灭火系统进行研究时，可参考i g 5 4 1 灭火系 统已有的研究成果。 1 2 氮气灭火系统 1 2 1 氮气灭火系统基本参数及优势 氮气作为惰性气体灭火剂的_ 种，其代号为i g l o o ，成份是1 0 0 的氮气，具有 无色，无味，无腐蚀，不导电等特点胁瑚删。 氮气灭火系统，灭火原理为物理式灭火，即使防护区内氧气浓度降至1 5 以 下，使火势熄灭。灭火时，将氮气喷放至密闭的防护区内，使室内的氧气浓度降低 至1 5 以下，从而不能支持燃烧。氮气作为灭火剂，药剂仅从空气中提取出来，来 源广泛，价格低廉。氮气灭火系统具有较好的环境、经济和社会效益，基于此，氮 气灭火系统已经在国际市场上得到了广泛的应用。 i g l o o 氮气灭火系统，具有较大的优势和广阔的应用前景，主要表现在以下几 个方面。( 1 ) 环保，节能。氮气是空气中的主要气体组份，不产生任何的温室效 应，也不破坏臭氧层，是环保的清洁气体。对人员的危害较小，可安全应用于人员 出入的场合。( 2 ) 物理方式灭火，不损害贵重设备。氮气的灭火原理为降低氧气浓 度，使其不支持燃烧。不产生任何的化学反应，对防护区内的精密仪器和珍贵资料 无腐蚀作用，不导电，火灾后的现场易于清理。( 3 ) 氮气作为灭火剂，从空气中直 接提取出来，成本低，价格低廉。( 4 ) 可长期使用，无被淘汰风险。i g l 0 0 氮气灭 火系统，完全符合当前环保、安全、可靠的要求，而且不受“蒙特利尔协议”和 “京都议定书”的限制，技术先进、成熟。( 5 ) 输送距离长，可用于远距离的管网 系统。氮气灭火系统，氮气在钢瓶内为气态形式，最远输送距离可达7 0 m ，因此， 大大解决了哈龙等气体灭火产品输送距离短的问题，在工程设计中，瓶组问的位置 较为灵活。降低造价的同时确保输送距离、设计浓度、喷放时间和喷嘴流量等各方 面的要求。( 6 ) 灭火效果优。由于氮气和空气的重量相近，所以喷放气体进行淹没 灭火时，氮气可与周围的空气很好地进行混合。 2 0 0 2 年我国制订颁布的g a 4 0 0 - 2 0 0 2 气体灭火系统及零部件性能要求和试验方 法啪1 ，规定了惰性气体灭火系统基本参数，见表1 2 。 表1 2惰性气体灭火系统基本参数 贮存压力 最大工作压力最小工作压力喷放时间 产品 ( 2 0 ， ( 5 0 ，m p a )( 0 ，m p a )( s ) m p a ) i g l o o 氮气系统 1 51 7 21 3 6 6 0 i g 0 1 氩气系统 1 51 7 21 4 0 6 0 i g 5 5 系统 1 51 7 21 3 6 6 0 i g 5 4 1 系统 1 51 7 21 3 6 6 0 由此可知，i g l o o 氮气灭火系统与i g 5 4 1 气体灭火系统同为惰性气体灭火系统 系列，气体组分不同，而产品本身的性能完全一致。基于氮气灭火系统的优势，将 成为替代哈龙的主流产品。 1 2 2 系统工作原理 氮气灭火系统的工作原理3 1 9 2 卜2 3 1 是：防护区发生火灾时，首先火灾探测器报 警，消防控制中心接到火灾信号后，启动联动装置( 关闭丌口、停止空调等) ，打开 氮气灭火系统实施喷放灭火。 氮气灭火系统的启动方式分为自动启动，手动启动和机械应急启动。这三种启 动方式，确保系统在任何状态下，均能自动或人工手动启动，实施灭火。 1 2 3 氮气灭火系统构成 i g l o o 氮气灭火系统的设备组件主要包括有i g l o o 氮气钢瓶、钢瓶固定支架、 电磁型驱动装置、容器阀、机械气动型驱动装置、高压软管、气控软管、单向阀、 低泄高封阀、压力开关、选择阀、减压装置、喷嘴等，见图1 1 ( 天津意安消防设 备有限公司产品) 。工程中，一般的i g l o o 氮气灭火系统，根据需要会选择采用以 上的部分或全部的系统基本设备。 l 彳同厂】 1 f 弋f 弋1 7 、针 i 、jm a一 邋垄 l名名 赳名名翼 ，气，气， i 图1 1 氮气灭火系统图 卜容器：2 一容器阀：3 一取气头：4 一电磁型驱动装置：5 一气控连接管：6 一连接管：7 一启动川接头：8 一 驱动气体流通管路单向阀：9 一灭火剂流通管路单向阀：1 0 - 启动川三通：1 1 一安全阀：1 2 一集流管：1 3 - 低泄高封阀：1 4 - 机械、气动型驱动装置：1 5 一铜帽：1 6 - 信号反馈装置：1 7 - 选择阀：1 8 - 减压装 置：1 9 - 全淹没喷嘴：2 0 - 瓶组支架；21 - 拉索启动盒：2 2 - 滑轮。 氮气灭火系统按照保护空间的性质，可分为组合分配式系统和单元独立式系 统。组合分配式系统，用一套气体灭火系统贮存装置通过管网的布置，保护两个或 两个以上防护区；单元独立式系统，一套灭火设备保护相应的一个防护区；工程设 计计算中，根据防护区的实际情况，可灵活选择所需的灭火系统形式。 1 3 氮气灭火系统国内外应用现状 ( 1 ) 国外研究现状 从2 0 世纪6 0 年代起，德国等一些西方发达工业国家就丌始利用氮气扑救煤矿 井下火灾，1 9 7 4 年1 2 月，德国煤矿首次使用了氮气惰化灭火方法，此后，法国、 苏联等国也在同时期开展了氮气在煤矿灭火中的应用研究。 9 0 年代，美国j l a m b e r t s e n 医学博士经过研究，由美国安素公司生产出了惰 性气体i g 5 4 1 气体灭火系统，又称洁净气体灭火系统，使惰性气体在民用领域得到 应用，不久，同样是惰性气体的氮气，也应用在民用消防领域中。 1 9 9 0 年西门子消防系统针对天然气体的灭火性能进行了一项研究，得出以下两 点结论：一是不使用预混合的自然气体；二是使用纯c 0 2 、纯n 2 或纯a r ：作为灭火气 体可以提供性能最好的灭火解决方案。 法国燃烧工程协会( c e a ) 在1 9 9 7 年关于天然气体灭火性能的研究结果表明：选 用纯的纯c 0 2 、纯n ：或纯a r ：作为灭火介质是最j 下确的选择。 目前，在日本i g l o o 灭火系统用量约占全部气体灭火系统的7 0 左右。 目前，世界消防气体灭火系统最为权威、应用最为广泛的地区为欧洲，美国其 次。德国的v d s 机构、美国的n m e r i 均有自己独立知识产权的工程技术标准及设计 计算软件，但其软件及计算方法为商业机密，不对外公布及无偿使用。 ( 2 ) 国内研究现状 我国氮气灭火系统的应用首先从工业领域展开始。2 0 世纪7 0 年代开始对液氮 在煤矿井下灭火进行了研究和试验阳刮；8 0 年代中期开始使用，并取得了很好的效 果；9 0 年代制订了煤矿用氮气防灭火技术规范m t t7 0 1 一1 9 9 7 8 。 我国对于民用的固定式氮气灭火系统的研究一直处于空白，目前国家尚无设计 标准。 2 0 0 2 年1 1 月公安部颁布了g a 4 0 0 - 2 0 0 2 气体灭火系统及零部件性能要求和试 验方法，对氮气灭火系统及结构部件的性能要求等作出规定。 2 0 0 5 年，广东省建设厅颁布了氮气灭火系统的地方标准，目前，湖南等省也在 积极制订氮气灭火系统的地方标准，但是我国目前仍没有氮气灭火系统的国家设计 规范，氮气灭火系统的设计计算等关键技术仍没有得到很好的解决。 目前，国内市场上仅有三个公司销售氮气灭火系统，天津意安消防设备有限公 司( 中意合资) ，美力马( 北京) 公司( 德资) 以及西门子楼宇科技( 天津) 有限 公司( 德资) ，且均从欧洲引进技术。 ( 3 ) 存在问题 虽然g a 4 0 0 2 0 0 2 规定了四种类型的惰性气体灭火系统，但国家气体灭火系统设 计规范中，只给出了i g 5 4 1 灭火系统的工程设计计算方法和公式，没有对i g 0 1 、 i g l o o 和i g 5 5 三种同类型气体灭火系统做出规定。可见，国内相关机构对i g l o o 氮 气灭火系统的研究尚不充分，没有全面掌握其设计和应用的规律和特点。 在系统管网设计中，系统各部件的流动特性是设计工作的基础和依据。系统的 工作压力较高( 2 0 时，1 5 m p a ) ，持续工作时间较短( 6 0 s ) ，灭火系统管路中的气 体流动是可压缩流动，流场复杂，压力、流速变化范围大。一直以来，进行管路计 算时通常采用不可压流动的实验结果将所有管件都换算为等效直管当量长度，并统 一按照直管计算。用当量长度的方法来表征氮气流态的方法是否可靠，还有待于进 一步研究验证。 在计算研究方面，国外的许多标准及国际标准中都不给出管网设计计算方法和 计算公式，一方面由于国外企业对气体灭火系统设计计算投入大量的人力物力进行 研究，其结果作为知识产权保护；另一方面受巨大商业利益驱使，国外厂家将设计 计算方法做为工程设计、施工及产品制造的准入壁垒，造成目前国内氮气灭火系统 项目没有完全自主品牌产品参与嘞1 。 国内天津兆龙软件公司针对i g l o o 系统开发了设计软件，但其软件丌发的三个 基本假设前提的正确性业界对此有所争议。 总之，i g l o o 氮气灭火系统是惰性气体灭火系统的一个重要分支，没有被业界 认可、可执行的计算方法已经极大制约了国内氮气灭火系统的应用和发展，开展氮 气灭火系统的设计计算研究，对完善我国惰性气体灭火系统具有重要意义。 1 4 本文研究的内容及意义 本文主要针对i g l o o 气体灭火系统的减压孔板和喷头两种关键部件，进行了数 值模拟并辅以实验验证，研究氮气灭火系统减压孔板及喷嘴的流场特性，指出了现 有计算方法存在的问题，提出了设计计算的合理方法。 本课题的研究主要包括以下四个方面： ( 1 ) 利用计算流体动力学( c f d ) 软件进行不同工况下减压孔板气体流动的数 值模拟，分析流动演化具体过程及流动损失的具体机理。 ( 2 ) 进行不同工况下喷嘴等流量特性仿真计算，分析气流场特点。 ( 3 ) 基于以上研究，提出了适合i g l o o 气体灭火系统的工程计算方法，和优化 减压孔板及喷头的方法，供工程设计参考。 ( 4 ) 进行i g l o o 的实验研究，验证数值计算结果。 第2 章氮气灭火系统工程设计计算与数值方法介绍 2 1 工程设计计算研究现状 研究i g l o o 氮气灭火系统工程设计计算方法和步骤，对管道内的气体流动特性 进行科学合理的简化，准确的计算管网的压力损失和流量特性，是i g l o o 氮气灭火 系统工程设计计算的关键。 i g l o o 灭火系统气体以高达1 5 一- - 2 0 m p a 的压力喷出，由于气流的脉动会导致剧 烈的管道震动，从而使得系统的安全性和可靠性下降。减压孔板做为重要的阻尼元 件，可以减轻管道的震动。其基本原理是：通过降低管道中气体的压力，将原来管 道中的驻波改成只有单向传播的行波，使得振幅下降，降低气流脉动从而减小震动 【5 2 】 减压孔板通常安装在集流管的出口或者喷头的投入口。其目的在于调节喷放气 体的流量和压力，因此减压孔板孔径计算和设计是灭火系统管网设计的关键核心内 容之一5 2 删。 惰性气体灭火系统设计计算方法是当前国际消防工程设计领域的前沿技术，国 外一些企业投人大量人力物力进行这方面的研究，并将研究结果作为知识产权加以 保护，一直为国际知名消防设备公司视为核心机密。外国有关标准、规范甚至国际 标准中都不给出洁净气体灭火系统管网设计计算方法和计算公式。但是，国外对洁 净气体灭火系统硬件产品进行检测、认定时却特别要求必须有该系统设计计算软 件，否则不予受理。其原因是：随着卤代烷灭火系统被禁用和近年来世界经济的复 苏及快速发展，洁净气体灭火系统的出现和发展具有极大的国际市场和商业利益， 在巨大的市场利益驱动下，国外以没有系统设计软件的硬件产品无法确保设计质量 为理由从国家政策上支持一些有实力的大型企业在开发系统产品硬件的同时结合本 企业产品研发系统设计专用软件。因此，国外洁净气体灭火系统事实上已被少数企 业所垄断。他们垄断市场的法宝就是计算方法和使用这一方法进行设计计算的专用 计算软件瞄1 。 目前，国内普遍使用的i g 5 4 1 设计计算软件是天津市兆龙软件公司依据国家标 准g b 5 0 3 7 0 - 2 0 0 5 开发研制的；同时兆龙公司对国家标准中的减压孔板的孔径计算， 孔板前后的压力计算等参数的选择提出了质疑田5 7 1 。我国广东省编制了地方标准 d b j l 5 - 4 7 - 2 0 0 5 i g l o o 气体灭火系统设计、施工及验收规范，对于i g l o o 氮气灭 火系统的设计计算公式、方法与g b 5 0 3 7 0 - 2 0 0 5 中的i g 5 4 1 计算公式、方法基本相 同。 国外的计算软件均采用基于计算流体力学的数值计算方法或大量实验数据的积 累和整理，而国家标准和广东地标中给出的简化计算方法采用平均状态进行设计计 算，即静态的设计计算方法，通常以系统的平均流量作为系统的设计流量，设计的 平均压力取为灭火系统释放出5 0 灭火剂时按绝热过程计算出的压力，并据此进行 减压装置、喷嘴以及整个管网的设计计算。 2 2d b j l 5 4 7 2 0 0 5 的工程设计计算方法 i g l 0 0 氮气灭火系统设计计算的目的是：根据特定的防护区和火灾类型，计算 确定灭火剂用量；对管网参数进行设计计算，以保证系统喷射时间。广东省地方标 准给出了工程设计计算方法如下。 2 2 1 灭火剂用量的确定 根据防护区的可燃物种类，确定所需的灭火剂设计浓度。防护区灭火设计用量 按式( 2 - 1 ) 计算： m = k 半域黑1 0 0c ，s 一 一。 ( 2 - 1 ) 式中m 灭火剂设计用量( k g ) ； c 灭火设计浓度( ) ； y 防护区净容积( m 3 ) ； k 海拔高度修正系数； s 灭火剂在1 0 1 k p a 和防护区最低环境温度下的比容( m 3 k g ) ，应按( 2 2 ) 式计算。 s = 0 7 9 9 6 7 8 + 0 0 0 2 9 3 t( 2 - 2 ) 式中z 防护区最低环境温度( ) 。 2 2 2 喷射时间的确定 ( 1 ) 管网计算 各管道中i g l 0 0 流量，宜采用平均设计流量。主干管平均设计流量，应按式 ( 2 3 ) 计算： qw = 掣 ( 2 - 3 ) f 式中瓯主干管平均设计流量( k g s ) ； t 灭火剂设计喷放时问( s ) ： 肘灭火剂设计用量( k g ) 。 支管平均设计流量，应按式( 2 - 4 ) 式计算： n ， q g = q ( 2 4 ) l 式中q g 支管平均设计流量( k g s ) ； g 安装在计算支管下游的喷头数量( 个) ； q 单个喷头的平均设计流量( k g s ) 。 ( 2 ) 管网管道内径，按式( 2 5 ) 计算： d = ( 2 4 3 6 ) 画 ( 2 - 5 ) 式中d 管道内径( 咖) ； 绯管道平均设计流量( k g s ) 。 ( 3 ) 减压孔板前压力，应按式( 2 - 6 ) 计算： ( 蒜 1 4 5 浯6 ) 式中最减压孔板前压力( m p a ，绝对压力) ： 局灭火剂储存压力( m p a ，绝对压力) ； o 喷放前全部储存容器内的气相总容积( m 3 ) ； k 减压孔板前管网管道容积( m s ) ； 砭减压孔板后管网管道容积( m 3 ) 。 ( 4 ) 减压孔板后压力，一般应按临界落压比进行计算，见式( 2 7 ) ： = 万日 ( 2 - 7 ) 式中减压孔板后压力( m p a ，绝对压力) ； 万落压比( 临界落压比：万= 0 5 2 ) ，必要时，一级充压( 1 5 m p a ) 的系统， 1 0 可在万= 0 5 2 0 6 0 中选用；二级充压( 2 0 m p a ) 的系统，可在 万= o 5 2 0 5 5 中选用。 ( 5 ) 减压孔板孔口面积，应按式( 2 8 ) 计算： 瓦2 画寿为审 浯8 ) 式中吒减压孔板孔口面积( c m 2 ) ； g 减压孔板设计流量( k g s ) ； 段减压孔板流量系数。 ( 6 ) i g l o o 喷头等效孔口面积，应按式( 2 9 ) 计算： 彳：罢坠( 2 - 9 ) 遗p c p c 式中彳喷头等效孔e l 面积( m m 2 ) ； q p 单个喷头的平均设计流量( k g m i n ) ； 犀喷头入i = 1 压力( m p a ) ； p f 喷头入口处i g l o o 氮气的密度( k g r n 3 ) 。 2 3 计算方法中存在的问题 为了使i g l o o 氮气灭火系统单位储存容积里储存的灭火剂更多，减小系统体 积，常采用高压气体储存，其贮存压力可达到1 5 m p a 以上。同时为避免过高的喷放 压力对输送气体管道提出的更高要求，必须要在系统的主干网入i = 1 处安装减压装 置，以降低管道内灭火剂压力，调节灭火剂流量。i g l o o 灭火系统与其它气体灭火 系统( c o ：、卤代烷等) 重要区别在于有减压孔板。在喷射过程中，氮气为单相可压缩 气体，没有液态灭火剂存在，而其它的气体灭火系统( 二氧化碳、七氟丙烷、哈龙等) 管网内流动的是气液两相流，因此采用目前的气体消防系统水力计算理论来进行 i g l o o 氮气灭火系统势必引起较大的误差，必须综合利用气体动力学、工程热力学 等理论知识，进行合理的模型简化设计，研究出更为准确、适用于i g l o o 氮气灭火 系统的管网设计方法渺5 纠。 i gl o o 气体灭火系统管网内气体流动为高压可压缩流体的非稳态流动，设计计 算非常复杂。减压装置和喷嘴的流动状态均出现了超音速流动，是典型的可压缩流 体，其流动特性非常复杂。而国家标准和广东地标中给出的简化计算是否能够满足 工程设计计算的精度要求，值得商榷，如果引入了不可控误差，对于工程设计和产 品使用来说，将是致命的缺陷。而且由于减压孔板结构比较简单，流通部分结构变 化比较剧烈，势必引起较大的能量损失，而式( 2 6 ) 式( 2 - 8 ) 并没有体现该损 失项。因此针对减压装置和喷嘴的流动特性进行仿真数值模拟分析，是系统设计计 算和部件优化分析的基础。 总之，目前我国对于惰性气体系统，仍然未能掌握工程设计计算的核心技术， 严重制约了我国消防企业参与国际竞争的能力，研究氮气灭火系统工程设计的计算 方法，是推广和应用该产品的关键，是迫在眉睫的问题。 2 4f l u e n t 软件介绍 2 4 1f l u e n t 计算软件简介 自上世纪五六十年代以来，计算流体力学迅速发展，尤其是上世纪9 0 年代以 来，全三维流场数值模拟发展已经相当成熟，各种c f d 通用软件被陆续推出。从 1 9 8 1 年c r a m 公司推出世界上第一个商用c f d 软件一p h o e n i c s 以来，大量的商用 c f d 软件出现在市场上了，如f l u e n t ，s t a r c d ，c f x 等。这些软件致力于工程实际 应用，并逐渐被业界广泛认识和接受，为c f d 技术打开了广阔的应用前景。c f d 商 用软件的出现让工程技术人员从繁琐的程序编制过程中解放出来，从而把精力集中 到流动的物理本质上。本文采用商用软件f l u e n t 进行数值模拟计算。 f l u e n t 计算软件由1 9 8 8 年成立于美国的f l u e n t 公司开发的。由于其丰富的物 理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，使其在传热、化学反应、叶轮 机械、多相流、燃料电磁、环境工程能方面都有广泛的应用。 2 4 2f l u e n t 模块介绍 f l u e n t 计算软件的组件见图2 1 ，主要包括网格划分工具g a m b i t 、t g r i d ，求 解器等。同时它有专门的几何接口以方便导入c a d 等几何体。本文主要用g a m b i t 生 成几何外形和网格，并用f l u e n t 进行减压装置和喷管流动的数值模拟。 图2 1f l u e n t 软件包的组件及其关系 g a m b i t 是专业的c f d 分析前置处理软件，具有非常完备的几何建模和网格划分 能力，而且几乎可与目前常用的c f d 软件协同工作。在几何建模能力方面，可方便 的生成放样曲面( 体) 、