（轮机工程专业论文）新型船舶细水雾喷头的设计与研究(1).pdf

摘要 摘要 船舶细水雾灭火系统由纯水液压元件和雾化喷头等部件组成，具有安全、高 效、节能、环保、二次污染少、环境要求低、灭火经济等优点。是目前公认的理 想灭火技术。作为传统哈龙灭火系统的替代产品，细水雾灭火系统具有广阔的发 展空间和市场前景。但是现有船用细水雾灭火系统大都为高压细水雾灭火系统， 系统成本比较高。因此，降低系统压力，节省成本是一个迫切需要解决的问题。 细水雾喷头是整个系统灭火雾化的关键设备，喷头雾化效果的好坏直接影响着灭 火效果。而雾化效果又和系统压力和喷头性能有着密切的关系。因此可以通过优 化喷头性能来降低系统压力，达到较好的雾化效果和灭火效果。 通过喷嘴的雾化机理及其灭火性能的理论研究，本学位论文在总结各种喷头 性能优劣的基础上，设计出一款全新的细水雾喷头。喷头采用内外双层螺旋流道， 逆向旋转喷出。内部流道的设计既有利于导流，又有利于形成强烈的旋流，独特 的流道和喷口设计使得细水雾在空气中具有相对的旋转方向，增加了细水雾的剪 切和扰动作用，雾化效果大大增强，喷出的射流更容易在空气中雾化，且索太尔 平均直径大大减小，使得系统能够在低压条件下产生好的雾化效果。通过仿真分 析，对喷头模型进行优化。最后通过实验测定细水雾喷头的流量特性、雾化角、 雾场空间的分布和雾化粒径。并进行灭火实验，和国内、国际上的喷头产品进行 对照。通过本学位论文的设计、仿真、实验对照，以期得到一款新型的船用低压 细水雾灭火系统喷头。 关键词：细水雾灭火系统；雾化喷嘴；特性实验；低压 d e s i g na n dr e s e a r c ho nn e w m a r i n ew a t e rm i s tn o z z l e a b s tr a c t s h i pw a t e rm i s tf i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e mc o n s i s t so fw a t e rh y d r a u l i cc o m p o n e n t s a n ds p m y i n gn o z z l e c o m p a r e dt oo t h e rs y s t e m s ，t h em a i na d v a n t a g el i e si ni t ss e c u r i t y ， l l i g he f f i c i e n c y ，e n e r g y s a v i n g ，e n v i r o n m e n t - f r i e n d l y ，l e s ss e c o n dp o l l u t i o n ，l o w e r e n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t s ，a n de c o n o m i c i ti sw i d e l yr e c o g n i z e da st h ei d e a lf i r e f i g h t i n gt e c h n i q u e s a st h ea l t e r n a t i v ep r o d u c t so ft r a d i t i o n a lh a l o nf i r ee x t i n g u i s h i n g s y s t e m ，w a t e rm i s tf i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e mh a sab i gm a r k e ta n dab r i g h tf u t u r e b e c a u s eo fh i g h p r e s s u r eo nb o a r d i ti sv e r ye x p e n s i v e w h i c hl i m i t si t sd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt od e c r e a s i n gt h es y s t e mp r e s s u r e ，w a t e rm i s tf i r ee x t i n g u i s h i n g s p r a y i n gn o z z l ei st h ek e yd e v i c et ot h ew h o l es y s t e mw h i c hd i r e c t l yi m p a c t so nt h ef i r e e x t i n g u i s h i n ge f f e c t t h u s ，b yt h em e a n so fi m p r o v i n gt h es p r a y i n gn o z z l e ，w ec a l lp u l l d o w nt h es y s t e mp r e s s u r e t h r o u g ht h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no nt h ea t o m i z a t i o nm e c h a n i s ma n dp e r f o r m a n c e o fn o z z l e ，t h i st h e s i sr e f e r st oe m p i r i c a lf o r m u l aa n dd e s i g n sab r a n dn e wf i n e - s p r a y n o z z l eb a s e do nt h ec o n c l u s i o no fp e r f o r m a n c eo fv a r i o u sn o z z l e s t h i sn o z z l ea d o p t s d o u b l e l a y e rs p i r a lc h a n n e l ss p r a y i n gi nr e t r o g r a d er o t a t i o n , w h i c hh e l p sn o to n l y s t r e a mg u i d a n c eb u ta l s ot h ef o r m a t i o no fs t r o n gr o t a t i o n a lf l o w 。t h ed i s t i n c td e s i g no f c h a n n e la n dn o z z l em a k e sf m es p r a yh a v ear e l a t i v e l yr o t a t i n gd i r e c t i o na n di n c r e a s e s t h ee f f e c to fs h e a f i n ga n dd i s t u r b i n go ft h ef i n es p r a y ，w h i c hg r e a t l ye n h a n c e st h ee f f e c t o fa t o m i z a t i o nm a k i n gt h ei n j e c t e ds p r a ya t o m i z e de a s i l yi nt h ea i ra n ds m d a v e r a g e d i a m e t e rr e d u c e dt oo b t a i nag o o da t o m i z a t i o nu n d e rl o w p r e s s u r ec o n d i t i o n t h en o z z l e m o d e li so p t i m i z e dt h r o u g he m u l a t i o na n a l y s i s f i n a l l y ，f l o wf e a t u r e s ，t h ea n g l eo f a t o m i z a t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o no fa t o m i z a t i o ns p a c ea n dt h ep a r t i c l ed i a m e t e ro ft h e f l u e - s p r a yn o z z l ea r ed e t e r m i n e db yt r a i l sa n df i r e - e x t i n g u i s h i n ge x p e r i m e n t sa r em a d e t oc o m p a r ew i t l lt h a to fo t h e rn o z z l e sb o t ha th o m ea n da b r o a d t h i st h e s i sa i n l st o a c h i e v ean e wt y p eo fm a r i n ef i n e s p r a yf i r e - f i g h t i n gn o z z l eu n d e rl o wp r e s s u r eb y m e a n so fd e s i g n , e m u l a t i o na n dt r i a l sc o m p a r i s o n k e yw o r d s ：w a t e rm i s t f i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m ； s p r a y i n g n o z z l e ； c h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t ；l o w e rp r e s s u r e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文= = 堑型墼照绁丞霆噬达的逡盐兰珏究= = 。除论文中已 经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 ， 论文作者签名：驾ff 日捌。年月；、7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密b 彳请在以上方框内打“，) 论文作者签名：旬 岔导师签名：、玉l 孳 日期：，口年占月；口日 新型船舶细水雾喷头的设计与研究 1 1 课题的研究背景和意义 第1 章绪论 1 1 1 课题的来源及提出 本学位论文来自大连市经贸委与大连海事大学船舶机电设备配套研发中心合 作项目船舶细水雾灭火系统的设计与研究。本学位论文研究的对象是细水雾 系统中的关键设备细水雾喷头。细水雾喷头在雾化过程中起到能量转化的作用。 水通过喷头内部流道，能量损失的差别很大，流动方式的差别最终决定细水雾的 雾化效果。为了得到较好的雾化效果，强化细水雾灭火的能力，本学位论文专门 针对细水雾喷头进行建模、仿真研究，并最终加工生产出灭火性能较好的雾化喷 头进行灭火实验。以期得出一款较低压力情况下，粒径更细、用水更少、保护范 围更大、灭火效果更好的细水雾喷头。 1 1 2 船用细水雾灭火技术产生的背景 火灾给人们的生命财产、生产生活造成巨大损失，消防工作责任重大。目前， 世界各国都在致力于新的消防技术的研究。高效灭火，环境友好是新时期消防技 术努力的方向。 哈龙( h a l o n ) 灭火系统能有效的防爆、灭火，同时还能有效抑制火灾蔓延扩 散。前一阶段在船舶消防领域得到广泛应用。二氧化碳灭火系统以其造价较低、 制备简便、封闭空间窒息性能灭火较好的优点在民用商船上也得到广泛的应用。 但是哈龙灭火剂卤代烷严重破坏大气臭氧层，危害人类的身体健康。二 氧化碳造成温室效应，随着全球气候变暖以及节能减排的需要，这两种灭火方式 的淘汰早已被提上议事日程。 船舶火灾因其扑救条件较差，发生时一般伴随着恶劣海况，而且船舶机舱环 境油气较多，设备布局较乱，空间狭小。一旦发生火灾扑救的难度较大、危险性 较高【l 】。因此船舶火灾也被看作最难扑灭的火灾之一。 细水雾灭火系统是目前国际上推崇的哈龙灭火系统的替代产品，随着哈龙灭 火系统退出市场，细水雾灭火系统凭借其高效、环保、灭火范围广等特点，得到 第1 章绪论 越来越广泛的应用【2 。3 1 。“细水雾”一时间成为消防领域内最热门、最流行的关键 词。关于细水雾灭火技术的研究也越来越深入。 1 1 3 细水雾灭火技术用于船舶消防的意义 作为新兴的消防灭火技术，相比于传统灭火方式，细水雾灭火具有气体灭火 和水灭火的双重优点，在于其他灭火技术的比较中体现了极大的技术优势【 】。 ( 1 ) 高效、节能细水雾灭火系统灭火范围广，灭火效果佳。细水雾灭火同 时具有水喷淋灭火技术的冷却和哈龙、c a 灭火技术的窒息功能，灭火效率更高， 可以扑灭a 、b 、c 等类火灾，大大提高了系统的应用范围。 ( 2 ) 安全、环保细水雾能有效的吸收火灾中产生的烟雾和毒气，最大限度 吸附火灾烟雾中颗粒及腐蚀物质，对浓烟和毒气有稀释、冲刷和洗涤作用，可净 化火灾现场。并且在灭火过程中不会产生大量积水，对船舶稳性的影响较小。 ( 3 ) - 次破坏小细水雾灭火对设备破坏较小，对环境基本无污染。细水雾 灭火实际喷出的为粒径极细的水雾，雾态的水以其良好的电绝缘性能，在最大限 度上消除了水介质对电气设备的损害。这样就避免了大量的积水对电器设备的损 坏，对船舶稳性的影响和对环境的二次污染。 ( 5 ) 环境要求低细水雾灭火能应用于通风地带的灭火。依靠窒息机理的灭 火方式，其有效性只有达到一定的气体浓度后方能显现，要求灭火环境相对封闭。 因此对开敞空间的着火区，其灭火效果不佳。细水雾灭火以其良好的吸热和阻止 热辐射等作用，可以有效控制火灾的蔓延，受通风条件的限制不大。 ( 6 ) 灭火经济、实惠细水雾灭火设备体积较小、重量较轻，耗水量较少， 系统流量较小，管路较细，而且管路的连接方便、安装简单，造价低廉。这对于 空间相对狭小，重量要求比较严格的船舶行业来说，意义重大。 表1 1 列出了现在正在使用的灭火方式的比较，从中可以更清楚的看出细水雾 灭火技术相比于其他灭火技术的优越性。 2 新型船舶细水雾喷头的设计与研究 表1 1 细水雾灭火技术和传统灭火技术的优越性对照 t a b1 1n o r m a lf i r ef i g h t i n gm o d ec o n t r a s t 气液两相单相低压单相高压 类别 水喷淋卤代烃 c 0 2 泡沫 细水雾细水雾细水雾 窒息、冷 窒息、冷窒息、冷 灭火机理冷却窒息窒息窒息 却等却等却等 灭火类型 a 、ba 、b 、c a 、b 、cba 、b 、ca 、ba 、b 、c 灭火效率低最高高较高 高 较高 最高 冷却效率低低低低较低高最高 持续时间较长 短 短 短短 较长 长 毒性无有有有少无无 安全性高 低低低较高高高 灭火后排 需要需要需要需要需要稍需要不需要 放 使用维修方便不方便不方便 不方便不方便方便方便 扑灭障碍 差极好好较好较好较好好 物效果 正是基于上述种种突出优点，细水雾灭火技术己在世界范围内引起了广泛的 关注和重视，作国际上公认为卤代烷的理想替代品。随着系统功能的不断完善、 以及人们环保意识的不断加强，该灭火技术必然会得到更广泛的应用。 1 2 国内外细水雾灭火及喷嘴的研究和应用概况 1 2 1 细水雾的起源与喷嘴技术的发展 在全球变暖的大环境下，世界各国普遍提倡节能减排，逐渐淘汰高能耗、高 污染的传统经济形式。提倡采用新技术，高科技手段，积极推进产业的经济性、 专业性、产业化。在消防领域逐步淘汰卤代烷灭火剂和二氧化碳灭火剂，作为极 具发展潜力的灭火方式，细水雾灭火无疑将越来越多的应用在消防的各个领域。 现阶段，以细水雾灭火技术为依托的消防产品已经投入使用。 1 9 8 7 年联合国签订了“关于停止使用、生产破坏臭氧层的哈龙气体的蒙特 利尔协议【6 】。自此，人们把目光转向了细水雾灭火技术的研究，从而展开大量的实 第1 章绪论 验，对细水雾技术机理进行了深入的研究。这使得细水雾灭火系统从1 9 9 0 年开始 至2 0 0 0 年这短短的1 0 年间就一跃成为国际消防产品市场的新生力量，得到飞速 的发展。细水雾灭火技术也开始广泛应用在船舶、地铁、图书馆、宾馆等场所【7 】。 1 9 9 3 年，美国成立了消防联合会细水雾灭火系统技术委员会，开始研究并制 定出用于规范细水雾技术的n f p a 标准，作为设计和安装的依据1 8 j 。并且获得了美 国消防联合会的批准网。同年，9 6 版n f p a 7 5 0 被批准为美国国家规范【1 0 1 ，这是世 界上第一本细水雾灭火系统的设计安装规范，而且是一本性能化的规范它的出现 进一步推动了细水雾灭火技术的深入研究，也预示着细水雾应用将进入一个新阶 段【1 1 1 。 s o l a s 公约规定：凡2 0 0 2 年7 月1 日以及以后建造的5 0 0 总吨及以上的客船、 2 0 0 0 总吨及以上的货船、容积超过5 0 0 m 3 ，a 类机器处所以及2 0 0 2 年7 月1 日 以前建造的2 0 0 0 总吨及以上客船，不迟于2 0 0 5 年1 0 月1 日，除应装设s o l a s 公约第1 i 一2 章第1 0 条5 1 1 款要求的固定式灭火系统外，还应装设经认可的固定 式水基的局部灭火系统，即水雾灭火系统旧；中华人民共和国交通部第 2 0 0 2 1 3 2 8 文件要求执行此规划1 3 】。从此细水雾灭火系统在工程上开始了广泛的应用。 喷嘴技术最早起源于蒸汽机，然后应用到内燃机，接着是燃气涡轮热动力装 置，最后以至于整个工业的各个生产部门。 1 9 世纪9 0 年代，德国人发明了气化器。在进气道内利用气化器雾化汽油，后 来演变为气动雾化喷嘴。1 8 9 2 年，柴油机问世，直接采用直射喷嘴喷射燃油，由 于燃油的粘度较大，直射喷嘴的雾化效果不好。为了追求雾化效果，提高燃烧质 量，有人在压力喷嘴内加入螺杆，作为流道来引导燃油做离心运动，产生旋流雾 化，其雾化质量大为改善，这就是离心喷嘴。2 0 世纪3 0 年代，机械雾化旋转喷嘴 问世，采用旋转的杯、盘等进行旋转喷雾实验。2 0 世纪6 0 年代，空气雾化喷嘴日 益成熟。2 0 世纪8 0 - - 9 0 年代，超声雾化作为一项雾化新技术逐渐引起人们的关注。 许多研究者开始把各种新技术应用于雾化的研究。种类繁多的喷头由此开始出现 1 1 4 1 5 o 到了近代，随着哈龙灭火技术的淘汰以及喷水灭火技术的更新换代，细水雾 灭火技术的发展体现了前所未有的潜力。作为雾化的关键设备，细水雾喷嘴的设 4 新型船舶细水雾喷头的设计与研究 计又成为推动喷嘴技术向前发展的动力。一大批学者投身于这项研究，由于有关 雾化机理还存在争论，研究者只能在总结现有资料的基础上，通过实验来验证喷 嘴设计的优劣。 本学位论文正是立足于研究雾化的关键设备船舶细水雾灭火喷头，通过对喷 头流道的设计，对各个参数进行计算，用专业软件建模，并对所做的模型进行仿 真，最后通过实验测出喷头的参数，研究喷头的灭火效果，以期研究得出一款灭 火性能较好的船舶细水雾灭火喷头。并为该种喷头在船上的布置提供数据参考。 1 。2 。2 国内外细水雾灭火及喷嘴的研究及应用情况 从喷射产生细水雾和细水雾灭火效果的角度考虑，一个理想的细水雾喷头应 具有如下特点【1 每17 】： 1 )在宽广的液体流动速率内均能提供良好的雾化效果。 2 ) 对流动速率的变化响应迅速。 3 ) 喷射射流具有最大的紊流度。 4 )在空气中雾形规则，有较大的保护半径和喷射距离、喷雾浓度。 5 ) 较低的驱动动力和能量。 6 )成本低，结构小，易于安装，便于拆检。 7 ) 喷口不易堵塞、不滴漏，不因受热而变形。 灭火过程对细水雾的要求是【1 8 1 ：( 1 ) 雾滴分布均匀，粒径细小，能形成稳定的 雾锥；( 2 ) 雾滴动量大，能够冲击火源。根据细水雾雾滴的空间分布，细水雾分为 空心和实心雾化锥。空心雾化锥雾滴细小均匀，但喷射距离有限，灭火效率低。 实心雾化锥的中心雾粒粗大，外围的雾滴细小，在气流的卷吸作用下向中心收缩， 因此雾锥保护面积很有限。 中国科技大学研制了簧片式水雾喷嘴【1 9 】，对细水雾喷射射程、雾滴粒径及系 统灭火用水量进行了研究。浙江大学对收敛型高压射流喷嘴雾粒的速度分布和雾 滴粒径进行了理论分析 2 0 l 。该两种喷嘴喷出的细水雾为实心锥，喷嘴内的水流做 无旋运动，故雾粒直径较大，灭火效果欠佳。中国科学技术大学设计的组合式细 水雾洗消喷头【2 1 1 ，同时具有中心和外层射流，通过旋转分流芯，可以实现不同喷 雾方式的组合。芬兰m a r i o f fh if o g 公司、丹麦d a n f o s s 公司、美国s p r a ys y s t e m 第1 章绪论 公司也研制了组合实心锥喷嘴，组合喷嘴解决了实心雾化锥雾化角较小，保护范 围有限的缺点。但该种喷嘴间雾锥相互干涉，雾滴直径较大【2 2 彩】。 此外，国际上主要的细水雾灭火公司，如澳大利亚p h i r e x 公司、德国的f o g t e c 公司、挪威的s p r i n k l e r h u s e t 公司等也做了大量的关于细水雾喷嘴方面的研究。 d a n f o s s l 2 3 1 公司研制出w m 系列高压水雾喷嘴。芬兰m a r i o f f 2 2 1 公司研制的h i f o g 系列喷嘴。澳大利亚p h i r e x 2 4 】公司研制出f o g e x 灭火系统，可同时供1 2 0 个 f o g e xf 2 0 、f 2 7 喷嘴( 一种新型的多孔开式高压水雾喷嘴) 工作。德国的 f o g t e c 2 5 1 公司也研制出高压水雾灭火系统。挪威的s p r i n k l e r h u s e t l 2 6 2 7 】公司开发 了名为m i s t e x 的水雾灭火系统。 此外一些经典的实验研究也很有借鉴意义，经过总结：r a s b a h s 和b a r i d e c h l 2 8 。1 】 等人在2 0 世纪7 0 年代就开始了细水雾灭火机理的研究，得出细水雾灭火的主要 机理在于高效吸热和绝氧窒息作用【3 2 】。n a k a k u k i 和t a k a 王粥l l i 【3 3 】认为细水雾灭火的 重要机理在于卷吸空气时直接导致的“吹熄”效应。此外w o l f e 和d e s i p i o 以及k i m 等人也提供了大量的反应灭火机理的数据粥5 1 。m a w h i n n e y 3 6 】讨论了吸热，窒息和 隔阻热辐射效应在细水雾灭火过程中各自起主导作用的工况。d o w n i e 3 7 j 等人用单 个喷头扑灭大尺度乙醇火焰，探讨了氧气和一氧化碳浓度在灭火过程中的变化情 况。m a w h i r m e y 3 8 】研究了燃料特性、喷雾特性等参数在大空间灭火中的影响作用。 美国海军部门全同尺寸细水雾灭火实验在不同尺寸的船舶机舱空间开展【3 9 】，瑞典 国家测试研究局也在5 0 0 m 3 机舱空间成功开展细水雾灭火试验 4 0 4 1 1 。此外，英国 的c h r i sw o o d s l 4 2 】和国内的孙森林等人尝试将细水雾灭火系统应用在图书档案馆 以及历史建筑上。f o r s s e l l 4 3 】尝试将细水雾灭火系统应用在计算机房内的电器设备 上。l i u z t 删成功的将细水雾用于工业厨房。 细水雾灭火技术的研究在我们国家开展较晚，和发达国家尚存在一定的差距。 但是作为极具潜力和市场前景的新兴技术，它完全符合国家倡导的低碳环保、节 能减排的政策要求，而且作为哈龙灭火技术和二氧化碳灭火技术的替代产品，市 场前景十分广阔。国际海事组织强制要求在船上安装细水雾灭火系统，这更增强 了我们开发细水雾灭火产品的意义。目前我国已经将细水雾灭火系统的研究工作 列为国家科技攻关项目和国家自然科学基金资助项目，中国科学院知识创新工程 6 新型船舶细水雾喷头的设计与研究 项目和国家重点基础发展( 9 7 3 项目) 也将细水雾灭火技术作为重要的研究内容，相 信不久的将来，我国的细水雾灭火研究也能走在世界的前列。 1 2 3 典型喷嘴示意图和优缺点 现阶段应用的喷嘴主要类型及其优缺点见下表( 表1 。2 ) ： 表1 2 各类喷嘴比较图 t a b l 2s e c t o r a ls p r a yn o z z l ec m p r 类型喷嘴优点缺点 图示 平孔 刈 简单，便宜喷压较高，雾化角较小 - 喷嘴 单路喷射压力高，雾化锥角随 简单便宜雾化角宽 ! 斤3 = 三当7 喷嘴压力、环境气体密度变化 双路简单便宜，雾化锥角宽，雾喷雾锥角随液体流动速率 = 二二= 3 三兰，上 压力 喷嘴化质量高的增大而减小 - | 罾1 喷嘴回流机构简单，在整个流动区雾很高的喷射压力，雾化锥 害虽 1 喷嘴化质量高角随液体流动速率变化 双口雾化锥角保持不变，雾化质 = = = = = 过渡区雾差，设计复杂一一一j ? 一 i 0 喷嘴量高 鲁、 扇形 j 雾化质量高喷射压力高 + ：oj 喷嘴 转盘转盘高速旋转产生3 6 0 。雾 l 雾化颗粒较大 喷嘴化模式，液滴均匀 。i i - 旋转 t 喷嘴 转杯转杯高速旋转产生3 6 0 。雾= = = 少i 雾化颗粒大 喷嘴化模式，可雾化高粘度液体 巴= = f l 内部会有液体回流气路产生， 雾化质量高，可雾化高粘度 - - 二葡 混合需要辅助仪表监测，需要 一二二趟 空气液体 喷嘴高压空气 助力 外部 雾化质量高，可雾化高粘度 喷嘴 c = 鲁量雨 混合 液体，克防止液体回流气路 需要高压空气 一彳 圳i 喷嘴产生 7 第1 章绪论 平流 刈 结构简单，雾化质量高雾化锥角较小 一三三刍 喷气喷嘴 喷嘴预膜喷雾锥角宽，在高背压空气 喷射气流速度低时雾化差 e - 一1 1 = 二= = = ：! o 喷嘴环境下雾化质量高 在低喷射压力和小气液比 气泡 下保证高的雾化质量，喷口需附加供气设备 喷嘴 不易堵塞 汽哨 液滴雾化尺寸变化大，不 直接产生液滴雾化 喷嘴易控制 超声电控雾化效果，液体流动速 喷射速度高时雾化差 喷嘴率低时保证高雾化质量 静电 雾化质量很高喷射速度高时雾化差 喷嘴 1 3 本课题的主要研究目标和内容 1 3 1 研究目标及拟解决的关键性问题 结合行业内主流喷头设计形式，给出喷头的雾化角仅，以此作为喷头设计的 基础参数，通过压力、流量的等相关参数来计算出整个喷头各个部分的尺寸，在 a u t o c a d 和s o l i d w o r k s 中建立模型，导入f l u e n t 的前处理软件g a m b i t 进行网格的划分，加密。最后用f l u e n t 进行仿真，完成论文的理论部分。把优 化的模型拿去加工，生产出一款雾化效果较好的喷头进行灭火实验。 通过对市场上细水雾喷头的调查，了解他们的优点和劣势。我们发现，现在 市场上出售的细水雾喷头一般结构简单，流量大，压力高，雾化效果不明显，使 得细水雾的粒径较大，周向的分布不均匀。在灭火的过程中，反应较慢，灭火效 果不明显。而且灭火后的残水较多，给船舶造成的二次危害较大。本着提高细水 雾灭火效果的思想，我们在设计细水雾喷头的时候，把细水雾的粒径作为重要参 数，如果粒径减小了，则灭火残留的水相应会减少，二次危害会降低，这也使得 这种细水雾喷头的应用范围更大，不仅能够灭a 类火，同时还能灭油火、电火。 图书室，海图室，机舱和驾驶台也都可以广泛采用。 8 新型船舶细水雾喷头的设计与研究 粒径减小则要求喷头的流量减小，表面上看，流量减小似乎灭火能力会下降， 但实际是，粒径更细的水雾灭火能力更强。同等质量的水和细水雾的灭火能力， 后者是前者的1 7 0 0 多倍。流量的减小可以通过减小压力和出流口的截面积来获得。 这也就是说在低压下获得较细粒径的细水雾是可能的。 因此本喷头的设计就是采用了低压力，小出口，多出口的方式来增强雾化效 果，这样做不仅使细水雾喷嘴的雾化效果更加明显，流量的设计也可以更加灵活。 这样就使得细水雾喷头解决了上述粒径较大，雾化不明显的劣势。 在熟练掌握喷嘴设计方法的基础上，本学位论文的细水雾喷嘴的设计突破常 规，采用内外双层螺旋流道的形式，使得内外逆向旋流流体在相互封闭的旋流室 中减压增速，通过套在一起的内部圆形出口和外部圆环出口喷出，在空气中逆向 旋转，相互剪切，这势必会增加细水雾与周围空气的相对速度，加强剪切作用， 使雾化效果更好。而一个喷头体上安装多个小喷嘴，采用上述流动形式以后，各 个小喷嘴之间也会形成相互的旋流剪切，雾化效果将大大增强。 1 3 2 研究内容及拟采用的研究方法 在掌握大量资料的基础上，总结得出细水雾灭火的机理和相比传统灭火方式 的技术优势，在研读资料的过程中，熟练掌握基本知识的同时，加入一些个人的 见解。用生动形象的形式，详细阐述了细水雾从液体变为液滴，到液体破碎为微 米级别的过程，系统的论述雾化过程和影响因素。整理参考国内外主流的喷头设 计资料，以及喷头内部流体的流通模式和雾化原理，提出自己的喷头设计结构， 通过理论计算得出喷头各个部位的尺寸参数，并利用a o t u c a d 和s o l i d w o r k s 软件，详细的设计出喷头模型，形成工程图。在s o l i d w o i s 软件中形成细水 雾喷头内部流道的模型，导入g a m b i t 划分网格，然后在f l u e n t 中进行仿真。 查看喷嘴处压力、速度、及流场的情况，进行合理化的分析。在g a m b i t 中进一 步细分网格，提高f 叫e n t 中的仿真精度，完善喷头模型。最终设计出能够满足 规范要求，灭火效果较好的细水雾喷头。 1 3 3 可能的创新点 本喷嘴的设计采用内外双层流道，在相互封闭的旋流室中逆向旋流，最后通 过嵌套在一起的内外双层喷口喷出细水雾。细水雾在空气中相互剪切。不同喷嘴 9 第1 章绪论 之间喷出的细水雾在空气中运行的速度方向相反，相互剪切、扰动。更增强了细 水雾喷头的雾化效果。而且双层喷嘴改善了雾滴和喷雾密度的分布特征，使得双 层喷嘴的雾滴粒径更小，分布更均匀，有效覆盖面积更大，灭火效果更好。希望 能以此增强细水雾喷头的雾化效果，生产出压力较低，雾粒更细、灭火效果更好 的细水雾喷头。 1 0 新型船舶细水雾喷头的设计与研究 第2 章细水雾的雾化机理和灭火机理 2 1 引言 液体雾化过程是将液体通过喷嘴喷射到气体介质中，使之分散并碎裂成小颗 粒液滴的过程。机械能的施加和喷射装置的振动或者旋转，将会使液体产生相对 于气体的高速运动，进而雾化成各种尺寸范围的细小液滴。在消防应用中，雾化 液滴能够更多的吸收热量和隔绝空气，从而有效的压制火势。水雾化在消防领域 有着非常广阔的应用前景，现在已经成为研究的热点问题。雾化机理的研究也一 直是个难点，至今还存在争议。以下是经过总结的2 0 世纪3 0 年代以来几种主流 的雾化机理学说4 5 】： 1 )空气干扰说认为气动干扰使射流表面产生不稳定波动。不稳定波的 发展导致雾化的发生。 2 ) 压力震荡说认为系统普遍存在的压力震荡是雾化发生的主要原因。 3 )湍流扰动说认为射流雾化是由射流自身的湍流强度决定。 4 ) 空气扰动说认为系统内穴蚀现象产生的大振幅压力是雾化的根源。 5 )边界条件突变说认为喷嘴出口的边界条件发生突变，射流失去约束， 分速骤变产生雾化。 纵观雾化学领域的研究历史，我们能够得出：喷雾可以由多种途径产生，但 不论哪种途径，最终成雾的原因都是在外界能量的作用下，表面波在气体扰动的 作用下，继续发展。使得圆射流或者液膜射流碎裂成片、线、大颗粒液滴，直至 最终的小颗粒液滴。在这个过程中，喷嘴的几何形状、喷嘴内部的流动特性、喷 射压力与环境气体背压的差值、气体介质的性质和液体本身的物理特性，共同决 定了最终的雾化效果【州7 】。 我们知道，在表面张力作用下液滴保持球形，粘性力抵抗液滴几何形状的变 化，使之趋于稳定。而作用于液体表面的空气动力会促使其碎裂。一旦外部作用 力超过了表面张力，碎裂就会发生。 第2 章细水雾的雾化机理和灭火机理 2 2 细水雾液滴的形成和破碎过程 细水雾液滴的形成过程是大颗粒液滴的破碎过程。在压力为零情况下，液滴 受重力作用，自由下落。此时液滴的重力大于液滴吸附喷嘴的表面张力。从一个 直径为哦的圆孔中向下流出的液滴质量为【4 8 】： 聊。= 坐 相应的球形液滴的直径为： 。= ( 甜 2 ， 式中：o 液滴表面张力( n m ) ； p ，液滴蔷度( 堙聊3 ) 。 2 2 2 细水雾液滴破碎过程 从细水雾喷嘴喷射出来的液滴，受气体压力作用变形，如果内部压力p l 与外 部气体压力以和表面张力p a 能够平衡，液滴就能趋于稳定。否则，液滴就进一步 破碎【蛔。 p l = p g + 见= c ( 2 3 ) 式中，c 是常数，对于球形液滴 见= 鲁 ( 2 4 ) 对于小颗粒的液滴，由式( 2 4 ) 可知，他们具有较大的岛，足以抵抗作用于 他们表面上的外部压力的变化，使小颗粒液滴在新的平衡状态下趋于稳定。因此， 1 2 新型船舶细水雾喷头的设计与研究 液体破碎的具体过程见图( 2 1 ) 。 励蹁 径向空气医力展开椭球 图2 1 水珠破碎图 f i 9 2 1p r o c e s so fd r o pb r e a k a g e 液体被喷嘴喷出的瞬间发生形变，由规则的球形开始至粒径更小的规则的球 形结束，整个过程发生的非常迅速。被喷嘴喷出时由于液体的表面张力，液体要 保持为球形，+ 在轴向压力的作用下液体向前运动，在轴向空气压力的作用下，球 体逐渐被压扁成椭球体，随着种趋势的发展，椭球体逐渐变形为杯形、半水泡形。 当液体与高速气流的相对速度超越i 临界速度时，半水泡形液滴的上部首先爆裂， 形成边缘厚度不等的环状，它包含了球形大颗粒液滴7 0 的质量。气流作用在环 状液滴边缘上，使边缘撕裂成片状，中心部位形成大量的小液泡，最终碎裂成各 种尺寸的细小液滴和小液泡。这就是直射喷嘴的雾化过程。对整个过程分析我们 气 韵 姥 f q j-，|骨黼i 毒 第2 章细水雾的雾化机理和灭火机理 不难得知：由于环状液滴包含了整个球形液滴7 0 的质量，这部分液体最终的雾 化粒径将会比较大。而且随着液滴尺寸的减小，二次雾化需要的能量成数量级的 增加，使得二次雾化的难度增加。这也是直射型喷嘴雾化效果较差的根本原因。 而旋流喷嘴液体具有三维的速度分量。液体脱离喷嘴的一瞬间，失去壁面的 束缚，这时候径向的压力梯度在径向上产生一个速度，液体同时具有轴向和径向 的速度。同时由于内部流道的设计，液滴脱离的瞬间具有一个切向的速度。在轴 向空气压力的作用下，液体被压成椭球。而径向的空气压力则把椭球压扁，成一 个椭圆形饼的形状。径向速度越大，饼越薄。切向空气压力垂直作用在饼平面， 由于冲击作用，把饼直接撕裂，雾化。切向速度越大，雾化效果越明显。 而本文设计的喷头，为内外双层逆向螺旋流道，液体在出口处形成逆向的旋 流，带动空气扰动，使得内外喷口的相对切向速度增加，相邻喷嘴之间，由于本 设计方案的特殊性，也会形成相互剪切的作用，雾化效果将会大大增强。喷头出 口平面切向速度方向具体如图( 2 2 ) 。 向速度 图2 2 喷嘴出口平面切向速度示意图 f i 碧2v e l o c i t yv e c t o rd i a g r a mo no u t l e tp l a n eo fs p r a yn o z z l e 1 4 新型船舶细水雾喷头的设计与研究 2 3 液体雾化的影响因素 2 3 1 液体本身的物理性质 在液体的雾化过程中，液体的物理性质将极大的影响喷嘴的流动特性和雾化 特性，其中对液体雾化影响最大的几个因素包括：液体的密度、粘度、表面张力 笙f 4 9 5 l 】 寸0 1 ) 密度通过压力喷嘴的质量流量随着液体密度的变化而改变。这最终决定 了雾化液滴的质量、粒径以及细水雾雾滴的数量，而细水雾雾滴的破碎过程常常 伴随着小液滴彼此之间相互吸合的过程，因此密度对液体的雾化效果有很明显的 影响。 2 ) 粘度粘度对雾化的影响不仅体现在雾化液滴的尺寸分布，而且还影响液 体在喷嘴内部的流动速率和雾化模式。液体粘度的增加将导致雷诺数减小，阻碍 湍流的发展，使得雾化难度增加。此外，液体粘度对喷雾的雾化角也有很大影响。 粘度越大，雾化角越窄。 3 ) 表面张力喷雾的过程是连续液体碎裂的过程，表面张力使是液滴保持稳 定，阻止液滴表面的变形。理论上，雾化所需要的最小能量就等于表面张力乘以 液体表面积的增加量。因此，表面张力是影响液体雾化的关键因素。 2 3 2 液体的喷射环境 液体喷射进入气体环境，在细水雾灭火的过程中主要考虑的是火场温度和周 围的风速。喷嘴喷出的高速细水雾对周围环境将会产生强烈的扰动作用。随着压 力的升高，这种扰动作用将会越强。这使得细小液滴受到的空气扰动作用力增加， 使细水雾的雾化角因为空气的卷吸作用变小，直接影响雾锥的形态。 2 4 细水雾灭火机理 随着细水雾粒径的逐渐减小，它在灭火中起主导作用的机理也逐渐发生变化 【5 2 1 。传统的水喷淋系统扑灭火焰时，其作用机理是【5 3 】：大量液态水直接冲击燃烧 物表面，冲洗浸透燃烧物，通过直接表面冷却的效应把可燃物的温度降到着火点 以下，达到扑灭火焰的效果。细水雾在灭火的过程中，随着粒径的逐渐变小，对 火焰的冲击效应逐渐减弱，雾化的细水雾高效吸热成为灭火的主导因素。因为细 第2 章细水雾的雾化机理和灭火机理 水雾受热迅速蒸发，体积急剧膨胀可达1 7 0 0 多倍，这大大增加了热交换的面积。 再加上细水雾表面换热系数较大，蒸发过程将吸收大量的气化潜热。降低燃烧物 质的温度【5 4 1 。此外，由于受热蒸发，将会在火焰周围形成一道“气墙，这道气 墙阻止了外部新鲜空气的进入，使燃烧因缺氧而窒息。同时，这道气墙对火焰的 辐射热具有极强的阻隔作用。能够有效的阻隔火焰对周围可燃物的热辐射，以达 到阻止火势蔓延的效果。 细水雾的灭火功能比较复杂，它与可燃物的类型，数量、燃烧速率和细水雾 的粒径等有关。一般地说，i 类和i i 类细水雾可用于扑灭油火，而且对油火表 面扰动较小【5 5 】。细水雾灭火系统的性能主要取决于两个方面：一是产生细小均匀的 细水雾，二是形成的足够浓度的细水雾能充满整个着火空间【5 6 5 7 1 。这两个方面主 要受到系统压力和喷头几何特性等因素的影响，同时也受到保护对象和被保护空 间等其它客观因素的影响。 2 5 本章小结 本章首先从液体雾化过程所需要的动力和能量这个角度考虑雾化的影响因 素，得出影响液体雾化的主要影响因素包括内因和外因。内因主要是液体本身的 物理性质，包括密度、粘度、表面张力等。外因主要包括系统压力、喷嘴结构、 喷射环境的背压和温度。从细水雾水珠的破碎过程得出，增强雾化效果的关键在 于增加液体喷嘴出口平面的切向速度。由此也引出本学位论文喷嘴结构的设计构 想。采用内外双层、逆向旋流的方式增加相对切向速度，使整个雾化空间都能得 到良好的雾化效果。最后分析了细水雾的灭火机理，指出随着细水雾粒径的变化， 细水雾灭火机理也随之发生变化。较粗细水雾灭火的机理主要是冲击火焰和吸热 冷却，随着细水雾粒径的减小冲击作用逐渐减小，而吸热能力迅速上升，细水雾 对火焰的窒息作用效果明显，阻断热辐射也成为灭火的关键因素。 1 6 新型船舶细水雾喷头的设计与研究 第3 章细水雾喷头设计 3 1 引言 通过对现阶段喷嘴的优劣分析以及对细水雾喷头雾化机理和灭火机理进行深 入的研究。本喷嘴最后确定采用内外双层流道，逆向旋流的方式在喷嘴出口形成 强烈的旋流，以加强雾化效果，增强灭火能力。本部分主要根据细水雾喷嘴的结 构、尺寸要求进行计算、确认。并对计算得出的细水雾喷头进行雾化效果预估。 3 。2 喷头工作原理 在细水雾喷头的总体设计中，考虑到喷头加工制作的问题，就需要在喷头的 尺寸、结构、重量等方面做出要求。喷头的设计除了上述的因素需要考虑外，主 要在性能方面提出一些具体要求，如工作压力、流量、喷雾角、雾滴索太尔平均 直径s m d 、喷雾射程、有效保护面积、流强和灭火可靠性等，同时应该考虑喷头 的工作环境，考虑喷头的腐蚀，磨损和喷孔的堵塞以及检修和清理的工作难度和 实现自动控制的难易程度以及加工制造的可行性和加工成本。考虑到灭火的实际 需要，要求雾滴颗粒有较细粒径，雾滴分布均匀，同时也要求有较大的喷雾强度， 而且细水雾雾滴还要有较大的动量。 本灭火喷头在一个喷头上安装多个小喷嘴，这种布置的优点在于：可通过调 整小喷嘴轴线之间的夹角来调整喷嘴的喷雾方向，喷头的流量由小喷嘴分摊。小 喷嘴的流量减小，在同样压力下雾化效果将增强。这样调整即不影响喷嘴雾化性 能；同时也能保证有效灭火的喷雾强度。外层喷环喷出的细水雾分布均匀，内层 喷口喷出的细水雾雾动量较大。可以依这种组合优势灭火。 第3 章细水雾喷头设计 具体方案见图3 1 图3 l 喷头的机构图 f 1 驴it h es g u c t l r e o f s p r a yn o z z l e 本灭火喷头喷嘴采用螺旋槽结构的离心雾化方案，采用内外双层反向旋流模