内容简介：: 第3 8 卷第9 期机械工程学报v “38N o92 0O2 年9 月C H E S EJ O U R N A LO FM E C H A N I C A LE N G I N E E R r N Gs e p2 0 0 2高压细水雾灭火喷嘴的雾化特性研究+范明豪周华杨华勇( 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室杭州3 1 0 0 2 力摘要：高压细水雾灭火系统是采用纯水液压技术的新型灭火装置，具有无环境污染、一是火迅速、用水量少和水溃损失极小等优点是目前国际上推祟的哈龙替代系统。运用轴对称射流边界层动量积分法，对系统关键执行元件一直射式雾化喷嘴的内部流动进行分析，对边界层厚度d 和加速园子置这两个内部流动参数进行考查：同时对一些与灭火效果有关的外部雾化特性参数如出口速度和雾滴平均粒径s M D 等进行升析，得出压力是影响外部雾化特性参数的最关键因素。认为8 9 M P a 是所设计喷嘴的最低稳定雾化工作压力要域。同时，喷嘴结构参数收缩角a 、收缩段长度附对内部流动参数、外部雾化特性参数均有影响，但不明显。试验验证了上述分析结果，优选出了适合的喷嘴内部结构。美键词：细水雾灭火喷嘴雾化特性中圈分类号：n 3 7O 前言消防灭火在现代社会中的保障生命安全和减小财产损失方面起着越来越重要的作用。传统的卤代烷灭火系统( 哈龙系统) 对大气臭氧层有严重破坏作用，且损害人员身心健康，故联合国在1 9 8 7年签署“蒙特利尔公约”明确要求各签约国在2 l 世纪初叶予咀取代。国际上推崇的替代系统有细水雾系统、水喷淋系统、低压c 0 ：系统和混合气系统。其中。气体灭火系统( 包括低压：系统和混合气系统) 对消防人员有一定的危害，c 0 2 的大量排放可使地球表面的温度升高；水喷淋系统的最大缺点是用水量高、水渍损失大、误动作后果严重：而细水雾灭火系统在灭火效能、工程造价、释放后二次灾害等方面均优于水喷淋系统，它还具有无环境污染、灭火迅速、用水量少、水渍损失极小以及适用于特殊火灾( 如计算机房、航空器火灾等) 等特点。因此，发达国家正积极开展细水雾灭火系统在民用建筑、可燃液体储存空间及电气设备间的应用研究鸭“细水雾”( 、附m i s t ) 是相对于“水喷雾”( w a 研s p 豫y ) 而言的，指使用特殊喷嘴产生的最大粒径小于1I m 、平均粒径小于4 0 0 岬的水粒。细水雾灭火具有以下特点：能迅速抑制和去除火场中的空气；能非常有效地降低热辐射引起的危国家自然科学基金瞪0 0 蛐1 9 ) 和浙江省青年人基盘9 9 0 4 0 ) 资助项且。2 0 0 2 0 1 2 3 收到韧稿舢2 8 收到修改稿害；能方便地到达火场隐蔽的角落。减小重新起火的危险：完全雾化的高速喷射可彻底渗透到深层的余烬中，也可起清洁作用：水的消耗少，危害低；生产设备能在短期内迅速恢复使用：环境友好、价格低廉。目前消防用细水雾来源以气动雾化方式最为常见，但其体积过大，且需另附高压气瓶机动性差。近年来，高压细水雾灭火技术已经成为国际消防界的研究热点m 。证i 是，产生高压细水雾的压力一般在1 0 ，a 左右，目前消防器材很难达到，而纯水液压技术的特点就是能输出持续均匀的高压水流。因此，采用纯水液压技术的细水雾灭火系统不仅解决了产生高压水流的难题，而且可以开拓纯水液压技术新的应用领域刚。系统由高压水液压泵、高压水液压阀、水箱、喷嘴和不锈钢管道等组成，自备水箱，且系统自带消防接口可与消防栓直接对接，通用性强。整个系统无需辅助设备，体积小。机动性强。细水雾通过高压雾化喷嘴对水液压泵输出的高压水进行直接雾化产生雾滴直径小于4 0 0u 玎1 。本系统中，喷嘴直接高压雾化理论分析和结构设计至关重要。本文对自行设计的高压雾化喷嘴进行理论分析及试验研究，以期发现喷嘴的最佳尺寸参数，为改进设计提供依据。l 喷嘴内部流动分析设计的高压雾化喷嘴类型为易加工的直线收敛型喷嘴，如图1 所示。其主要几何参数有喷嘴收缩角口入口和出口万方数据L一! ! 堕三堡兰塑兰! ! 堂兰! 塑过渡处的曲率半径p ，和p ：、入口直径D 、出口直径d 、出口段圆柱管收缩特性d 。考虑到加工因素及实际晴况，计算中忽略p ，和m 以及喷嘴内表面粗糙度R 。的影响。设计喷嘴的原始数据d 取决于射流流量和额定压力，经计算、圆整后取1 5m m D 由设计给定，固此需根据对内部流动及外部雾化性能的影响来优选的参数有口、咐。图1 收敛型喷嘴的内部结构几何参数在喷嘴内部流动中边界层厚度d 和加速因子E 是对外部雾化特性有重要影响的两个参数。较大的d 对射流的扩散有利，也即对雾化有利。加速因子丘则反映了喷嘴出口断面的紊流度状况。肛= ( v “。2 ) ( d 删( 1 )当嚣( 0 5 1 0 6 时为紊流；在0 5 1 0 6 K 2 0 1 0 。6 时为紊流向层流过渡状态；j p 2 0 1 0 。6时出现层流边界层。因此K 应越小越好。采用轴对称湍流边界层动量积分解法对d 、K进行分析，方程组为连续方程d 帆啤一片印2 】d f 0动量方程竿警+ c 暑c 肌：卜蔷c 肌z ，誓+ m旦塑一旦：oRh2输运方程d “。睨。y 蛳，v )式中只巩v ) = o 0 2 98 阮r 3 ) 。0 “7只。= 1 5 3 5 似_ 0 7 ) 。7 5 + 3 3c 仁0 2 8 8 唧( 一1 3 7 H l g R e ) 17 5 ”8 3 “因其他形状因子之间相差较小，故假定所有其他形状园子取值均为形状因子日，取其初始值为1 4 。整理上述方程组可以得到叩协= 0 一r “一6 ) ，似一f d 4 4 )“d F M f 4 一a ) ，爿一一4 )( 3 )d H 。d f 卜删目地+ ( R o 州血蝴( 2 站+ 倒d c 】( 巩v )式中4 I 鼍月侬一2 = 烈卅2 ) 帆一甙卅2 ) ( 2 R 虬)_ 3 = c 2 a d 月，d x ) RA 4 = - H H ，f H 。一5 = 日见。m 。+ ( 月一眦。) ( 2 “岛)一6 娟巩，H 曲血) ，见，R 一一喷嘴出口商径“。一一喷嘴内核心匹速度边界层中流动速度H 形状园子也厂一平均形状田子日边界层动量损失厚度c f 壁面摩阻系数，c 广“0 “。2 2 )k 壁面切应力p 水的密度尺e 雷诺数，尺F 鼬v 水的运动粘度根据喷嘴内部结构参数，可得d 、K 的仿真曲线如图2 、图3 。E畸毪卧嗵砖嗣目E诘捌睦丝酴捌收缩角口f 。)图2 收缩角a 对d 、K 的影响曲线( 廿= o ，2 1 4 胁，g 广1 6L ，n l l n )收缩段长度d3 53 0图3 收缩段长度对d 、的影响曲线( d = 3 0 。P 2 1 4M P arg 广1 6L n _ r I )2邑￥巳剖由图2 、图3 可看出，在p = 1 4 M P a ，q 尸1 6 L f m m工况下，随着口的增大，J 逐渐减小：随着删的增大，J 逐渐增大。但从绝对值上来看，a 和M 对d 的影响都不是很大( d 对d 的影响从0 2 3 岬变化到0 1 6 岬，D 玎对J 的影响从O 1 7 皿1 变化到0 1 6 4哪) 。相对而言，口对J 的影响变化幅度要大一些。在相同工况下，f 值在a 、州变化时均远远w三2牛巳削呈I31】0 万方数据2 0 0 2 年9 月范明豪等：高压细水雾灭火喷嘴的雾化特性研究9小于1 0 一，即实际流动均为极强的紊流。随着口的增大，x 增大，紊流度减小。随着D “的增大，K减小，紊流度增大。但6 臼对K 的影响要高于。对K 的影响( 高两个数量级) ，其影响的变化幅度却不及口。2 喷嘴外部雾化特性分析图4 为紊动射流的外部结构示意图删。其中，未受到外界空气卷吸影响而保持原来出口流速的中心部分称为核心区，之后的部分称为发展区。麓糙曩一起始殷过挂段主体段k 篓量匡图4 射流外部分区图从出口至核心区末端的部分为起始段；紊动充分发展以后的部分为主体段；主体段与起始段之间为过渡段。过渡段一般均较短，分析中常忽略。喷雾灭火系统的工作段在主体段，因此外部雾化特性分析主要针对主体段。影响细水雾灭火性能的主要参数有哪：喷雾锥角、喷雾射程、雾滴动量、雾化颗粒细度( S M D ) 、雾化液滴尺寸均匀度和雾通量。这些外部雾化特性参数均取决于系统压力及喷嘴几何尺寸。其中，喷雾锥角、喷雾射程可直接测量，雾化均匀度可认为是正态分布不失普遍性，雾化颗粒细度、雾通量及雾滴动量则需通过对雾滴的速度和滴径进行精密测量后才能得出。在这里，只对雾滴速度和滴径s M D 进行仿真分析。2 1 射流速度分布在图5 中，射流出L 速度随着D 缸的增大而减小；随着d 从0 。开始增大而增大，到约1 3 。咀后则随着口的增大而减小。在系统压力为1 4M P a 和出口流量为1 6u m i n 不变的情况下，a 和D 枉对的影响变化从1 6 2m s 到1 4 2 州s ，其变化幅度约为1 2 。即在此压力下，出口速度的变化并不是很大。各具体出口断面上的流速分布对雾滴动量有重要影响。比较动量积分和微分方程解法的速度公式后，采用微分方程解法经验公式，可得对各断面上的流速分布【”】。小。= ( 1 十o 4 1 4 _ 2 ) 。“扣。= o 0 4 2 3 “1 - o 4 1 4 矿矾1 + 0 4 1 4 矿) 2( 4 )：7 4 2 o 詹式中“轴向速度珥径向速度一轴心速度J 比密动量j 爿d p厶一一单位时间内通过单位长度任一截面的轴向总动量矗叩口2 d 2 ，常数目量纲一的距离，铲，怕可得如图6 所示的断面轴向速度和径向速度。，_g、，捌瑙懂暴( a ) 轴向建度圈处处处图5 喷嘴结构对出口速度的影响关系图在不同出口断面上，随着喷射距离的增大霎甄紫万方数据机械工程学报第3 8 卷第9 期轴向速度“。与径向速度坼均减小。其中，轴向速度“。的减小明显，当射程达到3m 时，轴心上的流速从出口处的大于1 0 0 州s 锐减到15 删s ，且其周向分布的流速衰、槭更大，在边缘l5m 处流速已接近于0 。径向速度“，从绝对值来看变化不是很大，这正好说明射流喷出后与空气大量发生卷吸，造成流速迅速减小，损失的射流动能转化为摩擦能，使雾滴进一步破碎分裂。卷吸现象主要发生在轴向，空气卷吸后径向的边缘扩散不大。2 2 索太尔平均液滴直径s M D本系统中，喷嘴出口直径固定，则s M D 仅与系统压力有关，比较T 甜o r 、w “f ，A n d e r s o n ，c 0 0 k等的公式后，c o o k w 的d l e y 公式更适合本情况“文。卸6 4 30 6 和o r 。9( 5 )如图7 所示系统压力对s M D 的影响极大，s M D 随着系统压力的升高而呈接近倒数关系降低。g亡1d记氍瓣封事P46S1 01 2“系统压力p ，M P a固7 系统压力对s M D 的影响( 口= 3 0 口“纠)当系统压力小于3M P a 时，喷射形成的是水珠，其s M D 大于15 0 0 岬，这也正是传统水喷淋系统水滴s M D 大的最根本原因。当系统压力升高到约6M P a 时，s M D 已小于4 0 0 岬；在8 9 M P a之后，s M D 的减小幅度已较小，其值为2 3 耻1 2 0 r n ；在1 4M P a 之后，s M D 基本稳定在1 2 0 岬左右已经达到超细水雾的要求。所以，根据实际要求不必要再盲目追求更高的压力。在系统压力为9M P a ，流量为1 6L ，m i n 时，其滴径S M D 与喷嘴几何尺寸之间的关系如图8 所示。M 越大s M D 越大，雾化质量越差；随着a 的增加，s M D 先衰减到一个波谷，又逐渐上升。s M D总体上从3 6 0 帅变化到2 2 0 岬，变化幅度约为4 5 ，但雾滴直径均能满足小于4 0 0 岬的要求。即a 和M 对s M D 并不是最重要的影响因素。3 实际测量与分析实际试验主要考察压力对外部雾化特性参数的影响，同时兼顾了口、M 的影响。试制了F 13 、3 0 ：、6 0 。、9 0 。，n 卢0 、2 、3 、4 的喷嘴共1 6 个，分别在系统压力为3 、5 、7 、9 、1 lM P a 下实测。射程与充分雾化距离如图9 所示，E喇蜘艇蜒君奎图g锄餐E、t划篁蜮系统压力I ，M h( b ) 充分雾化距离图9 不同收缩角下射程与充分雾化距离( ，j 赤2 )由图9 知，随着压力的升高，射程逐渐变远，充分雾化距离( 即充分雾化点与喷嘴出口之间的距离) 变短。在系统压力为8 9M P a 时，喷雾射程一般稳定在8 5m 左右，此时充分雾化距离稳定在4 2m 左右。压力大于9M P a 后，喷雾射程和充分雾化距离的变化幅度不大，测量结果同时表刳喷嘴内部结构以，d = 2 ，f 3 0 。、6 0 时的雾化效果为佳。同时，计算喷嘴外万方数据2 0 0 2 年9 月范明豪等：高压细水雾灭火喷嘴的雾化特性研究2部雾化特性参数时，均按A I b e n s o n 的试验资料公式6 = 0 1 1 如来计算，即射流雾化锥角约为1 3 ，这与实测结果一致。相同出口直径下，系统压力越大，s M D 越小，目测即可看出。当系统压力高于9M P a 后，s M D变化不明显，故以8 9M P a 为本型喷嘴的最低稳定雾化压力。4 结论通过对直射式喷嘴内外部雾化特性参数的仿真与试验仿真结果与实际测量情况是相吻合的。喷射压力的高低是影响到喷雾雾化的最关键因素。当系统压力低于3M P a 时，水珠直径大于15 0 0 “m ；低于5 M P a 以下，基本上形不成有效的水雾；大于9 M P a 后，形成的细水雾稳定。相同出口直径情况下，系统压力越太，s M D 越小，当系统压力大于9M P a 后，s M D 变化幅度不大，因此不必追求更高的压力。参数衍口似对喷雾的内部流动与外部雾化特性的影响是综合的，因此需优选后选用。理论分析与实际试验结果表明，本系统中的直射式喷嘴结构参数在肌扛2 ，a = 3 0 6 0 为佳。但瘌埘的大小对雾化锥角、射程和充分雾化距离影响不大，因此需要进一步改进结构，来扩大雾化锥角，缩短充分雾化距离，保持射程不变，使其更适应于现场灭火。参考文献1N 删a n n i K A N 0 1 舭PF W a t 盯m 扭t f 打e 哪化锚i o ns y s k m 1 I l ：P r o c e 鲥I l go f T e c h n i c 出S y 驴o s 嘶H a l o nA 1 佃n “v e s ，S o c i 啊o f F i r eP r o I e c t i 蚰E n g i 扯啪胍dP L CE d u c a F 删a 时o n ，K n o x v m e 1 N ，1 9 9 4 ：5 7 d 6 42 约翰H 戴尔超细水雾灭火系统王晔译消防技术与产品信息，1 9 9 8 ( 1 0 ) ：3 2 3 83 刘江虹廖光煊，范维澄，等细永雾灭火技术及其应用火灾科学，2 0 0 l ( 1 ) ：3 4 3 74肖学锋当前消防科技的热门研究领域消防科学与技术2 0 0 0 ( 8 ) ：4 05w h 砒i sc u 廿e “n y 卧诎l o m m e 础do f w 岫h y d 刖h c s ，W 把H y d 1 i c s As t a n 培R e p o r LN F P A ，1 9 9 56 杨华勇，周华，路甬祥水液压技术的研究现状与发展趋势中国机械工程，2 0 0 0 ( 1 2 ) 14 3 0 14 3 37 范明豪，周华，杨华勇纯水液压传动及高压高技细水雾灭火系统研究液压与气动，2 0 0 1 ( 5 ) ：1 4 1 68 余常昭紊动射流北京：高等教育出版社1 9 9 39 曾汉才，韩才元吴学曾等燃烧技术武汉：华中理工大学出版社，1 9 9 01 0 赵学端，廖其奠粘性泷体力学( 第二版1 北京：机械工业出版社，1 9 9 31 1王中伟，周进，钟良生，等R L P G 雾化模型中的液滴直径关系国防科技大学学报，1 9 9 8 ( 5 ) ：l qR E S E A R C Ho NA r 0 M I Z A T I o NC H A R A C T E R I S T I C So Fm G H P R E S S U R E 、) I A T E RM S TA T o M I Z E RF o RH R ES U P P R E S S I o NF 黼M i n 酵q o 蕊o “臻m1 翻g 口妒n g( 动啪增踟眦m 毋)A b 蚰r l c 灯 I i g l I - p 他s s t 啪w a l e rI i s ts y s t e mi san c wt y p co f五搏矗g h t i n gl l n i tu s i n gw a t c rh y d r a l l I i ct e c h n o l o g MT h ea d l l 组铲s0 f w 咖rm 讧ti n c t u d ce 矾曲凹瑚n 8 蜥衔髓d 坶f a 吐a n de 母，c d v ef i n 驯卿玎螂i 彻，m i n i m mq I 璩d 计o fw 叶e rr e q u i r I m 埘如，I a ww 目t 叮1 0 s 8 I th 船b e 硼mn c t 岍d c l y唧w 协d 血cm o 吐脚d a ls u b 鲥m t co fH 蜘丘r 扣6 9 h t i n gs y s 把mT h ei 盱n a wg t 丑t eo f 也ev i 恤le x u t ec o l n 口。咖卜_妇优tj 融a t o 商z c fi s 韶且I y z 。db y 砒i n ga 】【i 缸s y l 姗e 缸c 8 lb o u d a r ym 哪m mi I I 肥g I a Ir 眦啦0 d T h ea 啪i z 酣s h p ed i m e 监i o n si n f h 地e0 nt w oi n 附f l wp 啪n 持t e 曙，b o 岫d a r y岍恤i c k n c s s6 ，虻c e l e r g 忙舢t 盯置i sa s 北s 晴dB 酷i d e s 1 h e 帅t 盯曲岫a t i 妇c l c 畦出c s I a 伽I of j l 鲁矗g h t i 士l gp e 咄粕1 8 n c e f b ri n 她c c -o u n e tv e l 时，s e I l t e rM D i 蛐c l c r ( s 啪D ) i s 脚I y 2 c ds i m 山h o nr e s u a c x pc r i m 曲扭yv 酬靠e 正T h er e s l l l t s 站c 。w 出毗k 驴据mw o f k j n gp s s u r ei st h cm o 吼i l l l p o t t 盼tf k t o rt o 也e s eo u l 盯a t o m i z a t i 蚰c h a m c t e r i 出c s 刚8 9M P a 墙t I I cB p p r o p d a l ea r 阻o fs 恤b l ea t 毗n i z a 廿0 np r e 船u 咒f b rt h i sp r o I o 斜p ca fd i m c tj e t 种o I n i 黯r T h e 蛐m l i z 钉s h p e 由撇珊i o n si n c l u d ec o n 廿扯t 蜘g l e 口，l 髓g I ho f 劬D m i z 盯n o 呔删h s 血f l u e 眦eo ni 士l n 盯n o wp a 柚e t 啊蜘d 叫竹咖I I l i z c rc h 盯a 曲晡出c s ，b u n 【0 td i s d n c tT h e o 删m m a 协m i z 盯i n n 仃s m J c h H P j ss d 髓剐K e yw o r d 0 ；W 岫m 衄F 打e 也g h 6 n gJ c ta 1 0 1 n i a 盯A I o m i 州o nc h m c t 嘶s n c s作者筒介，范喇蠢，男，1 9 7 5 年出生浙江大学流体传动及控制国家重点实验室博士研究生。主要研咒方向为纯水液压传动技术，发表论文1 0 采篇。万方数据高压细水雾灭火喷嘴的雾化特性研究高压细水雾灭火喷嘴的雾化特性研究作者：范明豪，周华，杨华勇作者单位：浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,杭州,310027刊名：机械工程学报英文刊名：CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING年，卷(期)：2002,38(9)被引用次数：27次参考文献(11条)参考文献(11条)1.王中伟;周进;钟良生 RLPG雾化模型中的液滴直径关系期刊论文-国防科技大学学报 1998(05)2.赵学端;廖其奠粘性流体力学 19933.曾汉才;韩才元;吴学曾燃烧技术 19904.余常昭紊动射流 19935.范明豪;周华;杨华勇纯水液压传动及高压高效细水雾灭火系统研究期刊论文-液压与气动 2001(05)6.杨华勇;周华;路甬祥水液压技术的研究现状与发展趋势期刊论文-中国机械工程 2000(12)7.What is currently available in the field of water hydraulics, Water Hydrauli cs-A Status Report19958.肖学锋当前消防科技的热门研究领域 2000(03)9.刘江虹;廖光煊;范维澄细水雾灭火技术及其应用期刊论文-火灾科学 2001(01)10.约翰 H 戴尔;王晔超细水雾灭火系统 1998(10)11.Notarianni K A;Nolan P F Water mist fire suppression system 1994 引证文献(27条)引证文献(27条)1.李志峰.潘荣锟.李振峰.余明高障碍物作用下细水雾熄灭油火数值模拟期刊论文-消防科学与技术 2010(6)2.周华.邓东.杨华勇封闭空间中细水雾灭油盆火的试验研究期刊论文-浙江大学学报（工学版） 2007(6)3.王冬娜.刘志超应用正交试验法优化喷嘴结构期刊论文-煤矿机电 2007(2)4.刘乃玲.张旭螺旋型喷嘴雾化及流量特性实验期刊论文-农业机械学报 2006(9)5.邓东.周华.杨华勇新型细水雾灭火喷嘴的仿真及试验期刊论文-机械工程学报 2006(12

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