陸誠，呂曉東，魏巍

（1北京特種車輛研究所，北京100072；2西安新竹防災(zāi)救生設(shè)備有限公司，陜西 西安710075）

在車輛滅火系統(tǒng)中，滅火劑在艙體內(nèi)的流動擴散過程直接影響了滅火劑的分布情況，從而影響了滅火劑的滅火性能。因此，深入認識滅火劑在艙體內(nèi)的流動和擴散規(guī)律對滅火系統(tǒng)的設(shè)計有很大的指導(dǎo)作用。在一些老的車輛設(shè)備中，通常采用哈龍1211和哈龍1301等滅火劑，這些傳統(tǒng)滅火劑對人毒害性較大，且對臭氧損耗、溫室效應(yīng)等影響較大，環(huán)保性差，已逐漸被新型滅火劑所取代［1］。七氟丙烷滅火劑具有空氣泡沫覆蓋隔離和自身的化學(xué)抑制的雙重滅火功效、可短時間內(nèi)撲滅輕烴等低沸點可燃氣體等優(yōu)點［2－4］，目前在車輛消防工程中應(yīng)用較為廣泛。在一些老的車輛設(shè)備中，如何在不改變原有滅火系統(tǒng)前提下直接用七氟丙烷滅火劑替代哈龍型滅火劑十分值得研究。前期已通過實驗方法對七氟丙烷滅火劑能否替代哈龍型滅火劑進行了研究，得到了總體的滅火效果，但是由于受檢測方法的限制，難以獲得滅火劑在車輛內(nèi)部詳細的流動和擴散信息。為此，本文將采用數(shù)值模擬方法對七氟丙烷滅火劑在試驗艙體內(nèi)的滅火過程進行分析，揭示七氟丙烷滅火劑在艙體內(nèi)的施放、流動及擴散規(guī)律，彌補實驗研究的不足，為車輛內(nèi)滅火系統(tǒng)的設(shè)計和布置提供指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型

七氟丙烷滅火劑滅火過程中，滅火劑儲瓶中液態(tài)的七氟丙烷在壓力作用下從滅火裝置噴嘴噴出，同時七氟丙烷汽化為氣體，然后七氟丙烷氣體在艙體內(nèi)快速流動和擴散，到達火面實施滅火。由流體力學(xué)基本理論［5］可知，七氟丙烷滅火劑在艙體內(nèi)的施放、流動、擴散過程遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和組分守恒定律，可由質(zhì)量、動量和組分基本控制方程組來描述。艙體內(nèi)七氟丙烷滅火劑的流動屬于湍流流動，由于湍流脈動而引起的動量守恒和組分守恒方程中的應(yīng)力輸運和質(zhì)量輸運要通過湍流模型來封閉，本研究中采用k－ε雙方程湍流模型［6］對其進行封閉。基本控制方程和k－ε湍流模型方程的具體形式參見文獻［6］。

2 模擬工況

研究對象為一試驗艙體，基本結(jié)構(gòu)尺寸為1996mm×1910mm×920mm。滅火劑儲瓶放置在艙體外，通過管路通入艙體內(nèi)部，通過兩個滅火噴嘴進行滅火。噴嘴1位于艙體左側(cè)，噴嘴出口向下；噴嘴2位于艙體右側(cè)，噴嘴出口面向艙體側(cè)壁，具體布置如圖1所示。滅火噴嘴直徑為16mm，噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。

七氟丙烷滅火劑在儲瓶內(nèi)以液態(tài)存在，施放時汽化噴出，在艙體內(nèi)擴散流動。滅火劑儲瓶壓力為2.5MPa，七氟丙烷充裝量為0.85kg，施放時間為7s。七氟丙烷物性參數(shù)［7］如表1所示。

圖1 滅火噴嘴位置示意

圖2 滅火噴嘴結(jié)構(gòu)

表1 七氟丙烷物性參數(shù)

艙體內(nèi)部七氟丙烷施放過程中，施放初期滅火裝置內(nèi)部壓力大、施放速度較大；隨著施放時間的變長，滅火裝置內(nèi)部壓力變小，施放速度減小。根據(jù)文獻中關(guān)于滅火劑施放過程中滅火裝置壓力變化情況［8］，確定了艙體內(nèi)滅火劑施放速率，如圖3所示。

3 模擬結(jié)果與分析

采用CFD軟件Fluent對上述條件下的七氟丙烷滅火劑在艙體內(nèi)的施放、流動、擴散過程進行模擬計算。采用Simple算法［9］求解壓力－速度耦合方程，動量、組分、湍動能和湍流耗散率方程的離散格式均采用二階迎風(fēng)差分格式，艙體壁面采用標準壁面函數(shù)方法處理。噴嘴周邊區(qū)域中各物理量變化大，為了更準確地模擬這種變化趨勢，對噴嘴周邊區(qū)域的網(wǎng)格進行加密，整個艙體網(wǎng)格數(shù)量約為200萬個。

圖3 七氟丙烷滅火劑施放速率隨時間變化

3.1 流場分析

圖4為艙體內(nèi)滅火噴嘴噴出的七氟丙烷滅火劑的流線圖。由圖4可見，由噴嘴施放出的七氟丙烷氣體先噴到噴嘴出口所對的壁面上，隨后折流向頂部運動，同時在艙體內(nèi)逐漸擴散至均勻狀態(tài)。由流線圖還可以看出，在噴嘴附近七氟丙烷滅火劑流動速度較高，且流線較為集中，七氟丙烷濃度較高；隨著七氟丙烷滅火劑在艙內(nèi)的流動和擴散，流動速度逐漸降低，濃度也降低。可見噴嘴附近發(fā)生的火災(zāi)可以很好地被熄滅，而艙內(nèi)其他位置上發(fā)生的火災(zāi)能否及時被熄滅則取決于該位置上滅火劑的濃度，這與滅火劑的流動和擴散過程密切相關(guān)。因此，模擬計算得到的滅火劑流動和擴散規(guī)律可為滅火裝置的設(shè)計和布置提供重要的參考。

3.2 七氟丙烷濃度分布

七氟丙烷滅火劑在艙體內(nèi)的分布直接決定了滅火劑滅火效果的好壞，七氟丙烷濃度分布是否均勻與滅火裝置噴嘴結(jié)構(gòu)及分布位置有很大關(guān)聯(lián)。故對七氟丙烷滅火劑施放過程中不同時刻七氟丙烷滅火劑濃度分布情況進行分析，如圖5所示。圖5中不同顏色代表不同的七氟丙烷濃度值，藍色代表七氟丙烷濃度為0，紅色代表七氟丙烷濃度為0.1，從藍色過渡到紅色，七氟丙烷濃度逐漸增加。從不同時刻的艙體內(nèi)部七氟丙烷濃度分布可以得出七氟丙烷施放和流動擴散過程，在施放初期（0.01～0.2s），七氟丙烷主要集中在噴嘴至所對應(yīng)的壁面處的區(qū)域內(nèi)，由圖5中1.0s、3.0s、5.0s和7.0s時刻七氟丙烷濃度分布可以看出，噴嘴附近及其頂部區(qū)域內(nèi)七氟丙烷濃度高于其他位置，表明隨七氟丙烷繼續(xù)施放，該區(qū)域內(nèi)高濃度的七氟丙烷主要向艙體上部和其他部位低濃度區(qū)流動擴散。由14.0s時刻七氟丙烷濃度分布可以看出，艙體內(nèi)部顏色幾乎相同，即艙體內(nèi)部七氟丙烷體積濃度相同，表明施放完畢后，艙體內(nèi)部七氟丙烷逐漸擴散至均勻狀態(tài)。

圖4 七氟丙烷滅火劑流線示意

圖5 不同時刻艙體內(nèi)部濃度分布（顏色與濃度的關(guān)系同圖4）

圖5很好地展示了不同時刻艙體內(nèi)部七氟丙烷滅火劑濃度變化情況，在此基礎(chǔ)上，對艙體內(nèi)部七氟丙烷滅火劑分布進行定量分析，對艙體內(nèi)部的濃度分布進行檢測，分別檢測艙體內(nèi)部0m、0.2m、0.4m、0.6m和0.8m高度處截面上的七氟丙烷氣體平均濃度，檢測位置如圖6所示。

圖6 七氟丙烷濃度檢測位置示意

圖7 不同位置處滅火劑濃度隨時間變化

圖7為不同位置上七氟丙烷濃度隨時間變化曲線，由圖7可以看出，在滅火劑施放期間，艙體底部（0m）七氟丙烷平均濃度較高，主要由于施放的七氟丙烷氣體由噴嘴施放先達到艙體底部所致。滅火劑施放過程中，艙體各截面處七氟丙烷氣體平均濃度相差不大，表明滅火劑施放速度較大，七氟丙烷擴散速度快。施放結(jié)束后，艙體各檢測點七氟丙烷濃度幾乎一致，七氟丙烷平均濃度大約為3%～4%。根據(jù)滅火要求，七氟丙烷滅火劑濃度需達到5.8%時，才能把火面熄滅?？梢娫摴r下七氟丙烷滅火劑濃度偏低，無法達到滅火要求。

圖8 七氟丙烷濃度隨時間變化曲線

3.3 滅火劑用量對濃度分布的影響

在滅火過程中所需滅火劑的用量是衡量滅火劑滅火性能的一個重要指標，滅火劑用量直接影響艙體內(nèi)部滅火劑濃度分布。上述研究工作表明，對于本研究的艙體，如果滅火劑選用七氟丙烷，且用量只有0.85kg時，滅火劑施放完畢后，艙體內(nèi)七氟丙烷濃度只有3%～4%，達不到滅火濃度要求，需增加滅火劑的量。為此，本研究采用模擬方法考察了滅火劑用量對七氟丙烷濃度分布的影響。

圖8對比了滅火劑用量分別為0.85kg和1.75kg時七氟丙烷濃度隨時間變化情況。由圖8可以看出，當滅火劑用量增加時，滅火劑在艙體內(nèi)的施放、流動、擴散規(guī)律變化不大，但是數(shù)值上有所變化。由圖8（b）看出，當七氟丙烷用量為1.75kg時，滅火劑施放完畢后，艙體內(nèi)部七氟丙烷平均摩爾分數(shù)約6%～7%，可達到滅火要求（5.8%）。

4 結(jié) 論

（1）在分析七氟丙烷滅火劑滅火過程中滅火劑施放、流動和擴散行為特點的基礎(chǔ)上，基于流體力學(xué)基本理論，結(jié)合k－ε雙方程湍流模型，建立了描述七氟丙烷滅火劑施放、流動和擴散過程的數(shù)學(xué)模型，并給出了相應(yīng)的數(shù)值求解方法。

（2）采用建立的數(shù)學(xué)模型對艙體內(nèi)七氟丙烷滅火劑的施放、流動和擴散過程進行了模擬研究，得到了艙內(nèi)七氟丙烷滅火劑的流場和濃度分布情況。模擬結(jié)果表明，在噴嘴附近七氟丙烷滅火劑流動速度較快，且七氟丙烷濃度較高；隨著施放時間的延長，七氟丙烷滅火劑在艙內(nèi)的流動和擴散，速度和濃度逐漸降低。當滅火劑施放結(jié)束，艙體內(nèi)各位置濃度分布比較均勻。

（3）當七氟丙烷用量為0.85kg時，艙體內(nèi)七氟丙烷濃度約為3%～4%，達不到滅火濃度要求；當七氟丙烷用量增加到1.75kg時，艙體內(nèi)七氟丙烷濃度約為6%～7%，可達到滅火濃度要求。

（4）模擬結(jié)果與實驗結(jié)果一致，驗證了所建立的數(shù)學(xué)模型的合理性，該數(shù)學(xué)模型可拓展運用到實際車輛滅火系統(tǒng)的模擬分析中。

［1］ 劉江虹，金翔，黃鑫.哈龍?zhí)娲夹g(shù)的現(xiàn)狀分析與展望［J］.火災(zāi)科學(xué)，2005，14（3）：160－165.

［2］ 任巖冰，李亞峰，張國軍.七氟丙烷滅火劑應(yīng)用［J］.當代化工，2002，31（3）：151－153.

［3］ 張清林，徐康輝，秘義行，等.七氟丙烷氣體泡沫滅火劑試驗研究［J］.滅火系統(tǒng)設(shè)計，2011，30（3）：217－220.

［4］ 陳莉.哈龍?zhí)娲颋M－20的毒性評價［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，1999（12）：21－22.

［5］ 徐文燦，胡俊.計算流體力學(xué)（上）［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.

［6］ 熊莉芳，林源，李世武.k－ε湍流模型及其在FLUENT軟件中的應(yīng)用［J］.工業(yè)加熱，2007，36（4）：13－15.

［7］ 張洪英，呂昌.七氟丙烷滅火系統(tǒng)［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2007，5：40－42.

［8］ 楊志遠，汪輝，邊福利，等.七氟丙烷（HFC－227ea）滅火劑管路流動特性［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2001（2）：26－28.

［9］ 陶文栓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2011.