（水利水电工程专业论文）七氟丙烷灭火系统优化设计及喷嘴数值模拟研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 土作所取得的成果尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者张南亍秕指导教师鲐力瞎 日期： 如p 岁丫日期d d 、f p 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：高于啦 指导薮师签名：夕参嬉 日期：劢口、多、7 日期 ，d jp 严 西华大学硕士学位论文 摘要 由于七氟丙烷( f m 2 0 0 ) 气体灭火剂具有较高的灭火效率和无污染等特点，针对国 内越来越多的重要场所需要使用七氟丙烷( f m 2 0 0 ) 气体灭火系统进行保护的要求，本 论文叙述了气体灭火系统设计计算及其喷嘴数值模拟研究的国内外现状，对七氟丙烷气 体灭火剂的灭火机理、灭火效率、毒性等方面进行了综合分析，七氟丙烷灭火剂是目前 国内外使用的比较理想的气体灭火剂。 本论文结合工程实例，通过对七氟丙烷灭火剂及其固定灭火系统的特点和方式的分 析，确定了系统灭火剂的优化设计用量；通过对不同场所选用七氟丙烷( f m 一2 0 0 ) 气体 灭火系统的设计浓度、系统管网布置方式的论述，分析研究了进行工程设计时应考虑的 条件和要求。 根据实际工程参数，对工程中所用到的j p 3 6 型喷嘴进行了三维几何建模，并将建 好的模型导入g a m b i t 软件中，进行网格划分，对喷嘴的边界设定、求解计算等一系列 关键步骤进行研究，将已经做好的网格文件导入f l u e n t 软件后设置边界条件并进行 计算。通过对喷嘴数值模拟研究，得到各区域的速度矢量分布、流线分布，并进行性能 分析比较，得出此类型喷嘴在该工程中的喷放效果达到了全淹没灭火系统的目的。本论 文通过对七氟丙烷气体灭火系统优化设计及喷嘴数值模拟研究，相关研究数据为七氟丙 烷气体灭火系统优化设计提供了参考。 关键词：七氟丙烷；优化设计；喷嘴数值模拟；性能分析 a b s t r a c t h e p t f l u o r i d ep r o p a n e ( f m 一2 0 0 ) g a s e o u sf i r ee x t i n g u i s h i n ga g e n ti se f f i c i e n tt op u to u tf i r e a n di ti se n v i r o n m e n tf r i e n d l y m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tp l a c e si nc h i n an e e dt ob e p r o t e c t e d b yf m 一2 0 0f i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m t l l l es i t u a t i o na th o m ea n da b r o a do fg a s e o u sa g e n t d e s i g nc a l c u l a t i o na n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f n o z z l ea r ep r e s e n t e db ym ep a p e r b a s e do n t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ef i r ee x t i n g u i s h i n gm e c h a n i s m ，f i r e f i g h t i n ge f f i c i e n c ya n d t o x i c i t yo ff m 一2 0 0a g e n t ，f m 一2 0 0g a s e o u sa g e n t i si st h er e l a t i v ei d e a lc h o i c ef o rf i r e p r o t e c t i o nb o t ha th o m ea n da b r o a d w i t ht h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r o p e r t i e sa n dp a t t e r n so f f m 一2 0 0a g e n ta n dt h ef i x e df i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m , t h er e a s o n a b l ed e s i g nq u a n t i t yo ft h e s y s t e mf i r ee x t i n g u i s h i n ga g e n th a sb e e nd e f i n e d b a s e do nt h ed i s c u s s i o no ft h ed e s i g n c o n c e n t r a t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o np a t t e r n so ft h es y s t e mp i p en e t w o r k s ，t h ec o n d i t i o n sa n d r e q u i r e m e n t sf o rc o n s i d e r a t i o ni nt h ee n g i n e e r i n gd e s i g nh a v eb e e na n a l y z e d t h e3 dg e o m e t r i cm o d e lo fn o z z l ej p 3 6i sd o n ea c c o r d i n gt oa c t u a lp r o j e c tp a r a m e t e r s t h e nt h en o z z l em o d e li si n t r o d u c e di n t ot h eg a m b i ts o f t w a r ea n dm e s h e d ，m a d er e a s e a r c ho f k e ys t e p sb e f o r e a p p l i c a t i o n o ff l u e n t s o f t w a r e ，s u c l ia sb o u n d a r ys e t t i n g ，s o l u t i o n c o m p u t a t i o n ，e c t t h em e s hf i l ei si n t r o d u c e di n t of l u e n ts o f t w a r e i tc o u l db ec a u c u l a t e d a f t e r s e t t i n g b o u n d a r i e s w ec o u l d g e tt h ev e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o n a n ds t r e a m l i n e s d i s t r i b u t i o no fe a c hr e g i o nt h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n s i d ea n do u t s i d ef l o wf i e l do f n o z z l e a f t e rp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，w ec o u l dd r a wac o n e l u s i o nt h a tt h i sn o z z l ea c h i e v et h e g o a lo ft o t a lf l o o d i n gf i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e mi nd i s c h a r g er e s u l t so ft h i sp r o j e c t t h ed a t ao f t h es t u d yc a nb et a k e na sr e f e r e n c e sb yo p t i m i z ed e s i g no ft h eh e p t f l u o r i d ep r o p a n eg a s e o u s f i r ee x t i n g u i s h i n g k e yw o r d s ：h e p t f l u o r i d ep r o p a n e ；o p t i m i z ed e s i g n ；t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f n o z z l e ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i l 概述1 1 1 气体灭火系统的发展状况1 1 2 气体灭火系统设计计算研究现状2 1 3 喷嘴的实验和数值模拟研究现状3 1 3 1国外研究现状4 1 3 2国内研究现状5 1 4 本论文的主要工作及研究意义6 2 气体灭火系统组成及设计方案研究7 2 1 七氟丙烷灭火剂的选择依据7 2 2 2 3 2 4 2 5 2 1 1 洁净气体灭火剂技术要求。7 2 。1 2 气体灭火剂的性能参数比较及选择7 气体灭火系统的主要组成及部件1 l 系统分类1 2 气体灭火系统的启动方式及工作原理1 2 2 4 1气体灭火系统启动方式。1 2 2 4 2 气体灭火系统的工作原理1 3 系统设计计算方法研究1 4 2 5 1 防护区划分1 4 2 5 2 喷放时间的确定1 5 2 5 3灭火剂用量选择15 2 5 4 灭火剂设计浓度的确定1 7 2 5 5 管网系统的选择1 8 2 5 6 系统管网设计分析18 2 5 7 灭火剂储瓶尺寸和充装密度2 0 2 5 8 灭火剂输送管道通径选择2 0 2 5 9 七氟丙烷管流计算方法研究2 0 2 5 1 0 系统的管网布置2 1 2 5 1 1 储存容器的增压压力的选择2 2 2 5 1 2 对其它专业的设计要求2 2 i i i 七氟丙烷灭火系统优化设计及喷嘴数值模拟研究 3 气体灭火系统工程优化设计2 4 3 1工程概况。2 4 3 2 防护区的划分2 4 3 3 管网系统的选择2 5 3 4 确定防护区灭火设计浓度以及灭火剂喷放、浸渍时间2 5 3 5 计算防护区灭火剂设计用量2 6 3 6 选定灭火剂储瓶规格及数量2 7 3 7 各个防护区的计算2 8 3 7 1电力电池室( q 6 ) 2 8 3 7 2 机房( q 7 ) 3 2 3 7 3 机房( q 8 ) 3 6 4 气体灭火系统中喷嘴的数值模拟与性能分析4 0 4 1喷嘴内部流体运动的基本控制方程4 0 4 1 1 连续性方程4 0 4 1 2 动量守恒方程4 0 4 1 3控制方程的通用形式一4 2 4 2 喷嘴湍流计算方法4 2 4 2 1 湍流的基本方程4 3 4 2 2c f d 中的三维湍流模型4 4 4 3喷嘴几何建模及网格划分5 1 4 3 1 建模工具u n i g r a p h i c s 软件概述5 1 4 3 2 喷嘴与防护区的几何数字化建模。5 l 4 3 3网格划分。5 2 4 4 数值模拟及性能分析5 6 4 4 1f l u e n t 软件简介5 6 4 4 2f l u e n t 求解步骤5 6 4 4 3喷嘴内部流场数值模拟结果5 7 4 4 4 喷嘴外部流场数值模拟结果5 8 4 4 5喷嘴内外部流场数值模拟结果分析6 3 结论。6 4 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表学术论文情况6 8 i v 西华大学硕士学位论文 致 射。6 9 v 西华大学硕士学位论文 1 概述 在消防领域中，最常用的也最有效的灭火剂就是水了。随着国家经济的快速发展， 工业和民用建筑已经形成了很大的规模，而且高层建筑也不断的涌现，随着科技的发展， 各种设备对灭火剂的要求越来越高，对于有些不宜用水来灭火的火灾，比如可燃的气液 体、电器火灾、计算机房、重要档案库、微波机房等，气体消防作为最有效最干净的手 段得到了广泛的应用【l 】。2 0 世纪以来出现了各种卤代烷灭火系统、烟雾灭火系统以及惰 性气体灭火系统。 在哈龙替代技术的发展当中，七氟丙烷以其较高的灭火效率、较低的灭火浓度、绝 缘性高，在其使用的灭火浓度范围内对人员没有伤害以及清洁无污点等特点，在世界各 个国家得到了广泛的应用。越来越多的重要的场所都用到了七氟丙烷作为首要的灭火剂 进行防护。 1 1气体灭火系统的发展状况 气体灭火系统，就是以气体作为灭火剂进行灭火的系统【2 】。气体灭火剂可以分为两 类：液化气体灭火剂和非液化气体灭火剂。液化气体灭火剂是指在室温( 2 00 c ) 和容器 压力下呈液态的灭火剂，比如二氧化碳、卤代烃等。而非液化灭火剂是指在室温( 2 0 ) 和容器压力下呈气体的灭火剂，比如惰性气体。液化气体灭火剂具有较低的蒸气压和较 高的沸点，导致了储存液化气体的容器需要用氮气增压，而非液化气体则相反，不必在 储存容器中增压。 最早研究使用的气体灭火剂为哈龙灭火剂，主要是哈龙1 2 1l 和1 3 0 1 灭火剂。其灭 火机理称为游离基理论，是靠灭火剂接触火焰或高温表面时分解产生的活性游离基，夺 取燃烧连锁反应过程中生成的活性物质，从而使燃烧连锁反应的链传递中断而灭火【3 1 。 从二十世纪初到九十年代，经过近一个世纪的使用完善，其应用场所和方法较为成熟， 在此时期内哈龙灭火剂成为最完美的气体灭火剂，并多次成功地保护了人类生命和重要 财产的安全。但由于哈龙灭火剂的特殊性质，直接导致对地球大气臭氧层的破坏，为保 护人类健康及赖以生存的地球环境，联合国制定了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议 定书，发达国家自1 9 9 4 年1 月1 日起，停止生产和使用哈龙灭火剂，发展中国家则 可延长到2 0 1 0 年。 另一种在技术上比较成熟的气体灭火剂是二氧化碳灭火剂。二氧化碳灭火作用主要 是窒息，其次是冷却。在灭火过程中二氧化碳从储存容器中释放出来，由于压力骤然下 降，二氧化碳迅速由液态变成气态，因焓降的关系，温度会急剧下降，当温度达至u - 5 6 c 七舅e 雨烷灭火系统优化设计及喷嘴数值模拟研究 以下时，气相的二氧化碳有一部分会转变成微细粒子( 固相) 即干冰，干冰吸取其周围 的热量而升华，冷却燃烧物。大约1 奴液态二氧化碳会产生0 5 朋3 的二氧化碳气体。另 一方面，当二氧化碳被释放出来时，它会分布于燃烧物的周围，稀释燃烧物周围空气中 的氧含量。氧含量降低会使燃烧时热的产生率减小，当热产生率减d , n 低于热散失率的 程度，燃烧就会停止下来【4 1 。由于二氧化碳灭火设计浓度较高、附属设备较多、系统检 查维护繁琐，不适用于有人员经常出入的场所，因此，其使用范围受到一定限制。但由 于其来源广泛，价格低廉，对于经常发生火灾的某些场所得到了广泛应用。 由于哈龙灭火剂的禁用和二氧化碳灭火剂使用条件的限制，目前世界上迫切需要一 种同哈龙灭火剂灭火效果同样或接近的的气体灭火剂，发达国家早在十几年前就已经开 始了这方面的研列5 1 。哈龙替代是一个动态的发展过程，随着研究的加深和技术的进步， 哈龙替代的方向应是在现有灭火剂的基础上，进一步开发价格低廉、灭火效率更高、灭 火后灭火剂在大气中残存时间更短、甚至灭火后大气中残存值为零、对人没有任何毒性 的理想型灭火剂。 1 2 气体灭火系统设计计算研究现状 洁净气体灭火系统的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 一些企业投入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。 外国的有关标准、规范甚至国际标准中都不给出洁净气体灭火系统管网的设计计算方法 和计算公式。但是，国外对洁净气体灭火系统的硬件产品进行检测、认定时却特别要求 必须有该系统的设计计算软件，否则不予受理【6 】。其原因主要在于：进入2 1 世纪后，环 境问题已成为国际上最重要的问题之一。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，洁净气体灭火系统垄断和反垄断的斗争日趋激烈。七氟丙烷 灭火系统的设计计算虽然具有较大的技术难度，但具有更大的经济效益，所以国外个别 企业利用其技术优势长期垄断包括我国在内的国际市场。例如：上海市的1 0 条地铁中 所有七氟丙烷灭火系统都被某一家外企所垄断。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。 由于国外标准中不再给出管网的设计计算方法，所以我国洁净气体灭火系统设计规 范的制定也受到很大制约。但是，我国经济发展的需求迫切要求编制洁净气体灭火系统 的国家规范。在这种形势下2 0 0 6 年3 月2 日，我国发布了g b 5 0 3 7 0 2 0 0 5 气体灭火系 统设计规范( 以下简称气规) ，并于2 0 0 6 年5 月1 日开始实施 7 1 。由于缺乏国外 2 西华大学硕士学位论文 相关资料和深入的独立研究，这一规范实施后，在实际设计工作中逐渐发现了一些问题， 特别是对设计计算方法可靠性的质疑。 七氟丙烷灭火系统是一种现代化消防设备，是优异洁净灭火系统的代名词。但是， 同一般的灭火系统设计过程相比，该系统的设计过程所考虑的因素较多，如充装密度、 管网压力损失等，并按照众多约束条件来校核系统达到的灭火效果。由于这种计算息息 相关，一个数据的改变会影响其他参数，因此设计过程中需要反复进行调整，直至满足 所有的设计要求。例如在本文的计算过程中，系统应优先考虑设置成均衡管网，可以说 该系统的设计过程是一个反复调整的过程，尽管对于七氟丙烷气体灭火系统的设计过程 和规范仍旧处在探讨阶段，但是气体消防已成为国内外的热门话题和重要的研究课题。 七氟丙烷做为洁净灭火剂更是大有作为。随着七氟丙烷国家规范的出台，相信七氟丙烷 的设计计算会日趋成熟。 1 3 喷嘴的实验和数值模拟研究现状 喷嘴是气体灭火中的关键部件。喷嘴喷口的形状、结构和布置方式对出流的形状、 出流速度及其在防护区的分布有着重要的影响，因而对灭火效果和灭火效率起着至关重 要的作用。 在工程研究中，研究人员对研究对象的数据主要是通过三种方式来获得的。第一种 方法是实验测量的方法，这种方法用得最普遍，也是最早的、最可靠的一种方法，但这 种方法的缺点就是必须先创造出与研究对象相同或相近的实物，然后再通过测量设备得 到数据；第二种方法是根据相关理论用数学方法建立未知量的平衡方程，根据边晃条件 求得未知量的解析解。只有少数方程性质比较简单，且几何形状相当规则的问题才能用 解析方法求解。大多数情况，由于方程的非线性性质，或求解区域的几何形状比较复杂， 均不能用解析法求解【8 】。这类问题的解决通常是引入简化假设，将方程和几何边界简化 为能够解析处理的情况，这种方法只在有限情况下可行，因为过多的简化可能导致求解 结果误差很大甚至错误；第三种方法是数值模拟，在数值求解方法中，有限元方法的出 现是数值分析法研究领域内的突破性进展。它是一种近似的方法，通过对研究对象的计 算域进行离散，用数值计算方法并借助计算机得到未知量的数值解。 在喷嘴的研制过程中，实验方法不仅成本高，而且周期长。测量点少时，难以获得 较好的信息，而测量点多时，会影响到实际工况，并且有些物理量比如喷嘴内部的流量 和压力等目前还无法定量测量。相对于实验的方法，求解析解的方法不仅成本低，而且 周期短，但是，由于实际问题的复杂性，大部分很难求解，甚至有些根本就无法求解， 为此，必须引入一定的假设条件，这会造成解的精度降低，甚至造成解的失真。相对于 3 七氟丙烷灭火系统优化设计及喷嘴数值模拟研究 前面的两种方法，数值模拟方法只要选择适当的求解方法，合理的边界条件，就能得出 相对合理的结果，避免了繁复的实验过程，大大减少了研究者的工作量，而且具有可重 复性、易于控制等优点，可以方便地进行优化设计，从而明显降低了研究成本、缩短了 研究周期。因此，随着计算流体动力学和计算机技术的发展，数值模拟方法越来越多地 应用到喷嘴的研究当中，使得对喷嘴内部流动状态及喷射过程的数值求解成为可能，国 内外研究者在喷嘴的各个领域都取得了很大的研究成果，也证明了数值模拟方法的高效 和可靠。 1 3 1国外研究现状 kb a b e t s 等采用标准k 一占模型对喷嘴内部紊流进行了数值模拟，并与实验对比得出 流体分离和空化对喷嘴设计具有重要影响【9 1 。 q u i r m 等利用数值计算的方法对低速不可压的不同型线流道的喷嘴进行了研究，指 出射流初始段截面上速度的衰减以及轴心速度的衰减与喷嘴内流道型线有关【1 0 】。 m i c h a e lj w o o d w a r d 利用实验手段对多种不同结构喷嘴做了压力分布的测试，并且 例举了各种喷嘴重量及其寿命和价格，此数据对喷嘴研究有积极的利用价值【1 1 1 。 b a r k e r 等人实验研究了喷嘴几何尺寸对淹没水射流喷嘴切割性能的影响，通过改变 喷嘴入口锥角( 1 3 0 1 8 0 0 ) 和喷嘴圆柱段长度( o 5 _ 4 倍喷嘴直径) ，得出了最好的喷嘴是 锥角6 0 0 ，圆柱段长度为喷嘴直径o 5 倍的结论【1 2 】。 z h e n gl i 利用亥姆霍兹共振理论对喷嘴进行了数值分析和实验分析，优化喷嘴结构 参数。利用f i d a p 来预测出喷嘴内部对称流的连续方程，动量方程和切口能量方程的 数值解，得出长径比为3 的喷嘴结构最理想，并且用激光拍摄仪器进行实验对比，与理 论数据很吻合【l3 1 。 s c h a d o w 等对三角形喷嘴出口射流进行实验研究后认为，尖角的存在使得流场因喷 嘴处流速和压力不再对称而显示出高度非稳定性，从而增强细小尺度的流体混合和减少 流场大尺度拟序结构【1 4 1 。 b r e m b o l d 等就特殊几何形状的喷嘴外流场进行仿真，分析了射流流出矩形喷嘴后 密度的变化，结果表明，射流刚出口时分布比较稳定，随后由于小的扰动使射流的形态 发生变化，随后扰动越来越大，最后射流分散。通过分析射流流出矩形喷嘴后横截面的 速度分布发现，在开始段，射流的形状与喷嘴形状相似，流动一段距离后，射流表面出 现较大发散，而且最大表面离中心面越来越远，最后射流变成椭圆形【1 5 】。 日本的k a t s u y a y a n a i d a 对“喇叭”型喷嘴进行切割实验，此实验在水下进行，可 视为淹没流，工作压力4 9 - - 2 9 4 m p a ，通过对多组结构参数喷嘴冲蚀工件体积的比较， 4 硒华大学硕士学位论文 得出此“喇叭 型喷嘴的冲蚀量是“非喇叭 型喷嘴的1 4 倍。此实验打破了传统直线 型的喷嘴设计【岫】： 澳大利亚的h l i u 等利用c f d 软件对磨料水射流特性做了模拟，其中包括单相流、 二相流、三相流的分析，通过改变初始条件和边界条件得出测试数据，认为在射流初始， 射流中心的轴向速度会有一个快速衰退。不同磨粒速度分布和衰退相似，小磨粒比大磨 粒加速快，并且磨粒在截面上的速度分布呈现“帽形 分布【1 7 】。 1 3 2 国内研究现状 清华大学何枫、谢俊石等利用r n g 湍流模式和有限体积法，并用四边形非结构网 格，对不同内部流道型线的喷嘴自由射流进行数值模拟，得出了对于轴对称等直径圆管 喷嘴，进口处的流道型线对射流流道参数的分布有较大的影响，轴对称收缩喷嘴的收缩 角度大小主要影响射流出口附近的流动，对流动具有不同的阻滞效果【l 引。 马飞，张文明利用c f d 软件建立了土层扩孔喷嘴内部流场的三维数学模型。采用 标准湍流模型模拟了喷嘴内部流场，并分析了喷嘴参数对流场速度分布、压力分布和出 口速度的影响。结果表明，扩散角和扩散段长度对喷嘴内部流场影响较大，圆柱段长度 的影响相对较小，但各参数都存在着内在联系【1 9 1 。 金晗辉等采用s m a g o r i n s k y 提出的亚网格应力模型对三维矩形喷嘴射流近喷口处流 场进行了大涡模拟，着重研究了较高r e 数下的小宽高比矩形射流近喷口处流场的速度， 脉动量等特征量的分布特性，并与实验结果进行了对比。气相运动控制方程的离散采用 有限体积法，时间步进格式采用二阶精度的隐式差分格式，模拟结果与实验结果具有较 好的一致性【2 0 1 。 贾明峰针对前混合式磨料水射流用c f d 软件模拟喷嘴内部固液两相流的速度场。 结果表明，用数值模拟的方法研究前混合磨料水射流流场，并分析喷嘴结构对磨料水射 流速度分布的影响是可行的；计算结果显示，前混合磨料射流喷嘴流场中，喷嘴中心锥 角的大小导致速度分布有差异；喷嘴出口直径越小，磨料水射流在喷嘴出口处的流速越 大【2 l 】。 汪庆华等对射流喷嘴进行了结构参数设计和性能实验，得出了动力泵压力与磨料水 射流出口均匀速度和磨料喷嘴直径的经验公式。与作者推导的理论公式比，经验公式更 符合实际，可以作为设计喷嘴和调整加工状态的依据。实验还证明了现有计算水喷嘴直 径的公式是切实可行的，以及喉管距和混合腔直径在一定范围内变化时，其加工状态稳 定【2 2 1 。 宋拥政等通过理论分析与试验测定，分析和建立了高压水磨料射流切割的力学特性 与模型，得到水射流的流量系数为o 7 5 ，磨料射流的平均流速系数为0 9 5 ，认为水射流 5 七氟丙烷灭火系统优化设计及喷嘴数值模拟研究 主要通过水介质的滞止动压进行切割，磨料射流主要通过磨粒的冲击动压进行切割。给 出了射流切断面积速度与材料破坏能量的关系曲线【2 引。 王东等利用c f d 方法对高压水射流切割进行多相流的数值模拟，研究并分析了淹 。没射流与非淹没射流的影响、压力的影响、喷嘴直径的影响、喷嘴对射流的影响及淹没 与非淹没流下磨料流动特性关系，其结果可为高压水切割工具的设计提供参考依据【2 4 j 。 综上所述，目前主要是通过理论分析和实验相结合的研究方法，通过建立数学模型， 研究喷嘴和管道的各个参数变化对射流效果的影响问题，还处在宏观水力性能研究的阶 段。而国内外研究人员将c f d 计算方法应用于模拟和分析喷嘴的内部和外部流场上的 还风毛麟角，其根本原因在于采用传统的试验测量方法无法清楚地显示喷嘴内部的流动 状态，更无法获取内部流场的相关数据，而且喷嘴结构复杂，形状不规则，内部流场是 液体单相流，外部流场则是亚声速气液两相流稀相流状态( 即气体相中含有少量液相) ， 数值模拟方法在模型建立、算法选取、边界定义等方面都存在着一定难度。因此对喷嘴 的内外流场的数值模拟和试验研究就显得十分迫切，如何设计出具有特征曲线、流线性 较好的高效喷嘴，并对喷嘴内外流动性质和分布情况进行深入研究，对提高整个灭火系 统的灭火效率有着及其重要的意义。 1 4 本论文的主要工作及研究意义 本论文的主要工作是叙述了目前气体灭火系统设计计算及喷嘴数值模拟研究的国 内外现状，对哈龙替代物的各方面因素进行了分析，七氟丙烷气体是比较理想的哈龙替 代品。详细介绍了气体灭火系统的组成和工作原理以及主要部件的性能，对气体灭火系 统设计计算进行了研究，并通过工程实例对七氟丙烷气体灭火系统进行优化设计，主要 是系统设计所需要的技术参数、应达到的要求，设计计算确定的技术数据符合国际标准 和美国防火标准的要求和条件。最后通过对j p 一3 6 型喷嘴进行建模、网格划分，并对j p 一3 4 型、j p 3 6 型、胆3 8 型喷嘴外部流场进行数值模拟，得出速度矢量图及流线图，加以分 析比较，j p 3 6 型喷嘴在本工程中的喷放效果较好的达到了全淹没灭火的目的，对系统 的优化设计具有一定的指导意义。 6 西华大学硕士学位论文 2气体灭火系统组成及设计方案研究 2 1 七氟丙烷灭火剂的选择依据 2 1 1洁净气体灭火剂技术要求 目前国际上对洁净气体灭火剂的8 项指标和技术要求【2 习： ( 1 ) 对环境无危害，不破坏臭氧层，要求：对臭氧层的耗损潜能值o d p 0 0 5 ， 最好为零。不产生温室效应或温室效应较小，要求温室效应潜能值g w p 0 1 。 ( 2 ) 无毒或低毒，对人体无毒性危害，或仅有轻微影响，最好是相当于哈龙1 3 0 1 的微毒级，能应用于有人场所。 ( 3 ) 不可燃，灭火效能高，设计灭火浓度低。要求：应接近于哈龙1 3 0 1 。即：设 计灭火浓度等于5 ，且在1 0 秒内能灭火。 ( 4 ) 喷射后能全部气化，在封闭空间内各向分布迅速、均匀、无固、液相残留物， 不导电，不击穿电器设备，不污损、腐蚀、破坏被保护现场设备。 ( 5 ) 良好的可储存性，应属可液化的气体或具有与液化气体相类似的物化特性， 平时可以液态存贮，充装密度较大，其沸点和临界温度应低，临界压力和蒸气压宜适中。 ( 6 ) 存贮稳定性( 包括其耐热稳定性和化学稳定性) 良好。 ( 7 ) 与弹性密封元件的相容性良好。 一 ( 8 ) 经济合理，成本低，具有可接受的市场价格。 能完全达到上述8 个要求的气体灭火介质才能称为可直接使用的哈龙替代物，即一 点不改动原有卤代烷灭火设备( 包括贮存容器、管道、阀门等的规格、数量) ，仅仅更换 灭火剂。前面所提到的到目前为止已开发出的哈龙替代物灭火剂与以上8 项要求相比还 不算是最理想的，仍有待于新一代哈龙替代物的研制和开发。 2 1 2 气体灭火剂的性能参数比较及选择 在新产品出现之前，现有的哈龙替代物灭火剂还将在相当长的一段时间发挥作用， 因此有必要对它们进行比较，择优采用。以下对目前国内较常见的几种卤代烷灭火剂的 替代物：哈龙、f m 2 0 0 、二氧化碳、“取代 、烟烙尽、细水雾、气溶胶、s d e 等8 种 气体灭火系统的优缺点做具体分析及比较。 ( 1 ) 卤代烷1 2 11 、1 3 0 1 ( 哈龙1 2 11 、1 3 0 1 ) 灭火系统 卤代烷1 2 1 1 、1 3 0 1 属于卤代烷( 哈龙) 灭火剂。卤代烷1 2 1 1 ( 分子式c f 2 c 1 b r ， 二氟一氯一溴甲烷) 和1 3 0 1 ( 分子式c f 3 b r ，三氟一溴甲烷) 的应用范围和灭火能力基 7 七氟丙烷灭火系统工程设计及喷嘴数值模拟研究 本相刚2 5 1 。卤代烷灭火系统的电绝缘性能好、化学性能稳定、灭火速度快、毒性和腐蚀 性小、释放使用后无遗留的残渣痕迹或者很少、具有良好的贮存性和灭火效能，卤代烷 的灭火靠化学抑制作用，具有高效的灭火过程。但对臭氧层具有破坏作用，已逐渐被淘 汰。 ( 2 ) f m 2 0 0 七氟丙烷灭火系统 七氟丙烷( 简称f m 2 0 0 ) 灭火剂是一种无色、几乎无味、不导电的气体，其化学 分子式为c f 3 c h f c f 3 ，七氟丙烷灭火机理为抑制化学链反应，对于a 类和b 类火灾均 能起到良好的灭火作用。f m 2 0 0 灭火剂不含有固体粉尘、油渍，它是液态储存、气态 释放，喷放后的气体灭火剂，可采用自然排出室外或由通风系统迅速排出室外，现场无 残留物，不会受到污染【2 5 】。f m 2 0 0 本身毒性很小，耗损潜能值o d p = 0 ，不破坏臭氧层， 但温室效应潜能值g w p = 2 9 0 0 ，大气存留时间为3 1 年，七氟丙烷价格较高，其价格比 1 3 0 1 高出约3 0 。f m 2 0 0 在国内外已有不少应用。 ( 3 ) 二氧化碳灭火系统 二氧化碳灭火剂来源广泛、价格低廉、电绝缘性高、灭火性能较好、清洁无污渍， 二氧化碳灭火系统对绝大多数物质没有破坏作用，属于液化气体洁净灭火设施，灭火主 要是窒息并有少量的冷却，属于物理作用。但由于二氧化碳对人体有窒息作用，相对来 说应用不算很广泛。二氧化碳的最小灭火设计浓度较高，为3 4 0 ，毒性大，不适用于 常有人停留的场所。由于气体灭火用量大，其贮罐较大或贮存钢瓶较多，均要占用较大 空间。一般地说它在工业建筑的应用较民用建筑广，二氧化碳灭火系统仍不失为一种较 为可靠的灭火手段。 ( 4 ) “取代” “取代”气体灭火剂灭火浓度为3 9 ，灭火浓度低于哈龙和f m 一2 0 0 ，主要通过 化学催化作用灭火，灭火效果极佳，灭火速度很快，以较低的灭火浓度达到较好的灭火 效果，但“取代”灭火剂的最小灭火设计浓度是n o a e l ( 未观察到不良反应的浓度) 的2 1 4 倍，因此有较大毒性，所以不能在有人的地方实行防火保护，其应用范围受到限 制。“取代”对臭氧层的耗损潜能值o d p = 0 0 0 8 ，对臭氧层损害较小，温室效应潜能值 g w p 5 ，大气停留时间 1 天。灭火时其卤化物的酸性值均小于氢氟烃( h f c ) 和全氟烃 ( p f c ) ，但高于1 3 0 1 ，“取代”价格较高。 ( 5 ) 烟烙尽 烟烙尽是美国安素公司开发的由氮气、氩气和二氧化碳按5 2 ：4 0 ：8 的比例组成的混 合气体，属于多组份灭火剂，产品称i g 5 4 1 。烟烙尽使用量很大，其最小灭火设计浓度 为3 7 5 ，比二氧化碳还高。烟烙尽属于惰性气体灭火剂，灭火过程是纯物理过程。由 8 西华大学硕士学位论文 于氮气、氩气和二氧化碳是大气的组成成分，因而烟烙尽属于“绿色”介质，全球温室 效应潜能值( g w p ) 为零，臭氧损耗潜能值( o d p ) 为零，对环境毫无危害，灭火后不 留痕迹，对人体也无毒无害，这是其最大优点。 烟烙尽使用量非常大，应用量相对容积比过高，贮存钢瓶数量很多，占用空间大， 不易贮存，其贮存容器的压力很高，达到1 5 m p a ，维护不当容易泄漏，对储罐、管网 及阀门的承压能力要求很高，灭火剂释放时和高压二氧化碳一样容易造成围护结构和被 保护物的损害。从灭火效能来看，烟烙尽灭火能力较差。 ( 6 ) 气溶胶 气溶胶是指以固体或液体为分散相而气体为分散介质所形成的溶胶。气溶胶释放后 无污染、无毒害、低腐蚀性、不破坏大气臭氧层、对臭氧层消耗潜能值o d p 为零、温 室效应潜能值g w p 为零、在大气中存留期短。气溶胶灭火效能高，灭火速度快，单位 体积灭火用量是卤代烷灭火剂的1 6 1 4 。气溶胶灭火系统的最大特点是系统无管网， 无须压力容器，易储存。气溶胶目前在应用中也存在一些弱点：气溶胶释放后会产生浓 烟，能见度 ：a p + e ) = 1 5 9 0 6 2 6 2 0 11 4 5 = 0 8 4 9 3m p ao” - 一 ( 1 4 ) 验算设计结果 足0 5m p a ； 尼己2 = 1 5 9 2 = 0 8m p a ； 各个喷头设计流量相等； 管网从第一分流点至各喷头的管道阻力损失，其相互间的最大差值不大于2 0 ； 系统管网的管道内容积，不大于本系统七氟丙烷充装容积量的8 0 ； 以上各条件皆满足，符合要求，故设计合理，且管网为均衡系统3 2 1 。 ( 1 5 ) 计算喷头计算面积及确定喷头规格 由尼= o 8 4 9 3 m p a ，查图2 2 得喷头计算单位面积量q c = 2 8 k g ( s c m 2 ) ，其中喷头 平均设计流量o c = 1 8 3 姆加，求得喷头计算面积： f c = q c q c = 6 5 4 c m 2 ，根据表2 3 ，选用j p 3 6 型喷头1 6 个4 0 1 。 七氟丙烷灭火系统工程设计及喷嘴数值模拟研究 3 7 3 机房( q 8 ) ( 1 ) 灭火浓度c - - - 9 0 ，灭火时间t = 8 秒。保护空间实际容积为：v = 3 0 0 6 m 3 。 ( 2 ) 计算灭火剂设计用量由以上结果得知w = 2 3 4 3 堙。 ( 3 ) 选定灭火剂储瓶规格及数量。因为系统采用组合分配型式，根据w = 2 3 4 3 堙， 选用j r 1 2 0 储瓶1 7 只，储瓶增压压力为4 2 m p a ( 绝对压力) 。 ( 4 ) 喷头布置与数量。选用j p 型十六个喷头，其保护半径r = 7 5 m ，并按保护区平 面均匀喷洒布置喷头。 ( 5 ) 计算管道平均设计流量 主干管：绋= 2 3 4 3 8 = 2 9 2 8 培厶 支管：0 2 3 = 1 2 x 锄= 1 4 6 4 堙s q 3 4 = 1 2 x 0 2 3 2 7 3 2 k g s q 4 5 = 1 2 q 3 4 = 3 6 6 k g s q 5 “= v 2 xq 4 5 。1 8 3 姆s 储气瓶出流管：鳞= 2 3 4 3 ( 1 7 x 8 ) = 1 7 2 堙s ( 6 ) 估算管网管道直径。根据管道平均设计流量，查图2 2 ，得各管段管径。画出管 路计算图，如图3 3 ： ! ! ! ! 3d n 8 0 d n 5 0 d n 5 0 d n 5 0 d n 8 0 矽击臃一 洲叭，辩三二呈二j u ( 7 ) 充装密度：由于采用同一组规格型号的储存容器，所以r l = 8 4 0 k g m 3 。 3 6 西华大学硕士学位论文 ( 8 ) 计算管网内容积： 主干管内容积= 8 3 3 ( 5 0 0 + 1 9 0 0 + 4 5 0 0 ) 1 0 一= 5 7 5 锄3 支管容积= 4 9 0 x ( 5 5 0 0 x 2 + 2 3 8 0 0 + 5 1 0 0 x 4 ) + 3 4 2 3 8 0 0 x 2 x 4 + 1 9 6 x 2 0 0 0 x 2 8 1 0 一= - 4 3 7 2 d m 3 管道内总容积= 5 7 5 + 4 3 7 2 = 4 9 4 7d m 3 ( 9 ) 计算管网内全部储瓶气相总容积 v o = 1 7 x o 1 2 x ( 1 - 8 4 0 1 4 0 7 ) = 0 8 2 m 3 ( 1 0 ) 计算“过程中点”储瓶压力 己= e ov o l ( v o + w 2 7 + 咋) = 4 2 x o 8 2 ( 0 8 2 + 2 5 3 0 4 2 x1 4