王帥軍，辛 穎，劉 念，王 夢(mèng)，金 彪

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

“細(xì)水霧”是相對(duì)于“水噴霧”的概念，指使用特殊噴嘴產(chǎn)生的最大粒徑小于1 mm、平均粒徑小于400 mm的水粒。作為哈龍?zhí)娲锏募?xì)水霧，由于在滅火過程中相對(duì)于傳統(tǒng)的滅火方式具有很多優(yōu)勢(shì)，目前在滅火方面受到了廣泛重視。細(xì)水霧滅火有很多特點(diǎn)，由于細(xì)水霧顆粒直徑特別小，用水量很小，而在滅火的過程中，速度又比較快，壓力也可以保持在一個(gè)合適的水平，滅火效率非常高。細(xì)水霧滅火還有環(huán)保安全的特點(diǎn)，以水做為滅火介質(zhì)，對(duì)環(huán)境無污染，符合現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展要求，并且由于細(xì)水霧對(duì)紙張的破壞力特別小，如果是應(yīng)用在高校的圖書館和一些檔案室也是非常合適的。

1 細(xì)水霧霧化機(jī)制

細(xì)水霧出現(xiàn)已有一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，針對(duì)其霧化機(jī)制，很多學(xué)者做了大量研究［1－2］，但其霧化機(jī)理非常復(fù)雜至今仍沒有形成一種能夠全面解釋水的霧化的通用模型。

目前根據(jù)現(xiàn)有的成果來看，液體的霧化過程非常復(fù)雜，但從宏觀的方向來說，就是讓具有一定速度的水流通過一個(gè)具有特殊結(jié)構(gòu)的噴頭，使水流在其中被破碎成為由許多微小顆粒組成的液滴群［3］，再具體一點(diǎn)來看的話，細(xì)水霧的生成可以分解為兩個(gè)過程［4］。首先，迫使水流通過特定設(shè)計(jì)的流道(即細(xì)水霧噴頭內(nèi)部流道)并形成很細(xì)的水射流或很薄的水膜;然后，射流或薄膜與大氣因強(qiáng)烈的相互作用而破碎成細(xì)小的水滴，即細(xì)水霧。根據(jù)國(guó)內(nèi)外目前的研究成果及產(chǎn)品情況，細(xì)水霧的成霧原理有很多種［5］。水流變成水霧是水流的破碎過程，有很多使水流變成水霧 (即水顆粒)方法，大致來說，一是撞擊模型。譬如可以使水流與水流，氣體，金屬表面等來得到細(xì)水霧;二是離心型。就是讓水流高速離心轉(zhuǎn)動(dòng)來時(shí)水流變成細(xì)水霧;三是分子運(yùn)動(dòng)型。利用超聲波等手段或直接加熱使水分子分離來得到細(xì)水霧。

不同的成霧方式得到的細(xì)水霧品質(zhì)參差不齊，關(guān)于細(xì)水霧品質(zhì)有比較完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要有:噴霧角度、霧錐形狀、噴霧強(qiáng)度、噴霧射程、霧化均勻度、霧化細(xì)度、霧粒大小及其分布、霧通量、霧滴動(dòng)量等。其中霧滴直徑大小決定了霧滴穿透火羽流的能力和在火羽流中滯留的時(shí)間［6－7］，是比較重要的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo);噴霧角度影響滅火范圍的大小;霧化均勻度用液滴的直徑變化范圍來確定:被霧化了的液滴的最大直徑和最小直徑之差愈小，則均勻度愈好［8］。

2 霧化噴頭結(jié)構(gòu)模型

噴頭由兩部分通過螺紋連接構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。上部是注水孔的位置，中間一個(gè)直射孔(D1表示直徑)，周圍有三個(gè)斜射孔 (D2表示直徑)，斜射孔與垂直線成一定角度，直射孔產(chǎn)生的直流與其周圍的斜射孔產(chǎn)生的旋流混合在一起形成具有直射流和旋流的強(qiáng)烈紊流運(yùn)動(dòng)，最后從噴頭的噴嘴節(jié)流口 (D3表示直徑)射出形成細(xì)水霧。該噴頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，能夠保持細(xì)水霧的軸向動(dòng)量，同時(shí)，由于旋流的存在，擴(kuò)大了高壓水霧的霧化角。

圖1 噴頭二維圖Fig.1 Two-dimensional image of the nozzle

噴頭的直射口、斜射口和噴嘴對(duì)于噴頭來說是三個(gè)關(guān)鍵的尺寸，尺寸的選擇對(duì)噴頭的噴射效果有一定影響。噴嘴節(jié)流口D3的尺寸應(yīng)該盡量小，可以減少耗水量、減小霧滴直徑，但要保證不被雜質(zhì)堵住。直流孔D1和斜射孔D2是保證噴頭具有較好的徑向和軸向動(dòng)量的關(guān)鍵參數(shù)。本文主要通過考慮D1、D2、D3三個(gè)尺寸的關(guān)系對(duì)細(xì)水霧進(jìn)行仿真。在初步的設(shè)計(jì)中，取D3為0.8～1.6 mm。設(shè)i=D1/D2，取i為1/3～2，設(shè)j=L/D3，j為1/2～4，設(shè)斜射孔與垂直線夾角為a，對(duì)不同i、j、a組合而成的不同結(jié)構(gòu)的細(xì)水霧噴頭進(jìn)行fluent參數(shù)實(shí)驗(yàn)。

3 噴頭的fluent仿真

采用Pro/E設(shè)計(jì)噴頭的結(jié)構(gòu)圖，再將結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)入fluent的前處理軟件gambit中，并用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)對(duì)三維立體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)噴嘴節(jié)流孔及外部軸線附近的流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。噴頭內(nèi)部及流場(chǎng)空間的網(wǎng)格劃分如圖2所示，噴頭速度矢量圖如圖3所示。

圖2 噴頭內(nèi)部及流場(chǎng)空間的網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh inside nozzle and the flow space

從圖3看出，得到的射流有很大廣度，軸向量大，覆蓋范圍較大，同時(shí)霧滴顆粒分布均勻，且具有較大的旋流。

3.1 節(jié)流孔長(zhǎng)度與直徑之比對(duì)霧化效果的影響

噴嘴節(jié)流孔的直徑和長(zhǎng)度是影響細(xì)水霧質(zhì)量和滅火性能的關(guān)鍵參數(shù)［9］，故在實(shí)驗(yàn)中把不同節(jié)流孔長(zhǎng)度與節(jié)流孔直徑D3組合做為研究變量。選擇的節(jié)流孔長(zhǎng)度與直徑之比如表1所示，L/D3取不同值時(shí)的噴頭軸向的速度分布如圖4所示，L/D3取不同的值時(shí)噴頭口截面的徑向速度如圖5所示。

表1 節(jié)流孔長(zhǎng)度與直徑之比 (D1=2mm，D2=3mm)Tab.1 The orifice length to diameter ratio(D1=2mm，D2=3mm)

圖3 噴頭速度矢量圖Fig.3 Nozzle velocity vector diagram

由圖4可知，當(dāng)L/D3取值2時(shí)，射流速度最高;由圖5可知，當(dāng)L/D3取值1～2時(shí)，可以得到徑向速度較高的細(xì)水霧，并且可以保持較大的范圍;綜合分析知道，當(dāng)j(L/D3)取值2時(shí)，可以使噴頭得到軸向速度和徑向速度都較大的射流。

圖4 當(dāng)L/D3取不同值時(shí)的噴頭軸向速度分布圖Fig.4 The velocity profile of the head of axial under different L/D3values

3.2 直流孔D1和斜射孔D2比值對(duì)霧化效果的影響

直流孔D1和斜射孔D2直徑的大小對(duì)噴霧質(zhì)量有很大影響。由理論分析可知:直流孔直徑越大，直射流的強(qiáng)度就越大;斜射孔直徑越大，旋流的強(qiáng)度就越大［7］。但中央進(jìn)口和其周圍進(jìn)口不可以沒有限制的變大，因此它們不同數(shù)值的組合值得實(shí)驗(yàn)，以確定最佳組合。選擇的直流孔D1與斜射孔D3之比如表2所示，不同直流孔D1與斜射孔D2比值i的組合的軸向速分布如圖6所示。

圖5 當(dāng)L/D3取不同的值時(shí)噴頭口某一截面的徑向速度Fig.5 The radial velocity of a certain section of the nozzle hole when L/D3takes different values

表2 選擇的直流孔D1與斜射孔D2之比(D3=1mm，L=2mm)Tab.2 The ratio of hole D1and D2(D3=1mm，L=2mm)

由圖6可以看出，當(dāng)D1/D2為1.5時(shí)，射流的軸向速度最高，且可以在較大范圍內(nèi)保持一個(gè)較大速度，對(duì)火苗可以實(shí)現(xiàn)較為深度的撲滅。綜合以上可以知，D1/D2為1.5是一個(gè)較好的選擇。

3.3 斜射孔的傾角對(duì)霧化效果的影響

斜射孔的傾角對(duì)射流的直射強(qiáng)度和旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度有重要影響。傾角越大，射流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度會(huì)增大，但是射流的直射強(qiáng)度會(huì)變小。因此，尋找一個(gè)較為合適的傾角就顯得尤為必要。為了研究不同傾角的影響，選取D1=2 mm，D2=3 mm，D3=1 mm，L=2 mm，研究斜射孔的傾斜角為30°、45°和60°的霧化效果。圖7～圖9分別是斜射孔的傾斜角為30°、45°和60°的計(jì)算域內(nèi)的軸向速度，圖10～圖12分別是是斜射孔的傾斜角為30°、45°和60°的細(xì)水霧最大軸向速度端面的切向速度。

圖6 不同直流孔D1與斜射孔D2比值i的組合的軸向速度分布圖Fig.6 The combination of different DC axial hole D1and the oblique hole D2i ratio and the velocity distribution

圖8 傾斜角為45°時(shí)的計(jì)算域內(nèi)的軸向速度Fig.8 The computational domain for the axial inclined angle 45 degrees

圖10 傾斜角為30°時(shí)細(xì)水霧最大軸向速度端面的切向速度Fig.10 The tangential velocity of the end of the maximum axial velocity of water mist when title angle is 30 degrees

圖9 傾斜角為60°時(shí)的計(jì)算域內(nèi)的軸向速度Fig.9 The computational domain for the axial velocity of inclined angle 60 degrees

圖11 傾斜角為45°細(xì)水霧最大軸向速度端面的切向速度Fig.11 The tangential velocity of the end of the maximum axial velocity of water mist when title angle is 45 degrees

圖12 傾斜角為60°時(shí)細(xì)水霧最大軸向速度端面的切向速度Fig.12 The tangential velocity of the end of the maximum axial velocity of water mist when title angle is 60 degrees

從圖7～圖9可知在不同的軸向距離上軸向速度曲線均有一個(gè)最大的速度值，當(dāng)a取30°時(shí)的軸向速度遠(yuǎn)比取其他角度時(shí)的大;從圖10～圖12可知，切向速度曲線是一條有一個(gè)主峰的曲線，顯然30°時(shí)的切向速度較大。因此，斜射孔的傾斜角為30°是一個(gè)較好的選擇。

4 結(jié)論

論文設(shè)計(jì)了一種直射—旋流噴頭，噴頭結(jié)構(gòu)通過pro/E設(shè)計(jì)，得到的細(xì)水霧的參數(shù)通過Fluent軟件得到，通過綜合的比較優(yōu)化了噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

通過模擬實(shí)驗(yàn)可以知，當(dāng)L/D3取2，D1/D2取1.5，斜射孔的傾斜角為30°時(shí)，噴頭在霧化過程中既產(chǎn)生了較大的直射流分量，也有較大的旋流分量。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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