牛鵬宇 張義 王正藍(lán) 張金泉 魏旭旺

摘 要：對(duì)于設(shè)計(jì)的手持式滅火噴射器，主要通過產(chǎn)生氣體壓力噴射干粉粉粒。而不同管型的噴射器對(duì)管內(nèi)外氣粉流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有決定性作用。管型的不同，其氣粉流的沿程阻力和管內(nèi)速度均會(huì)發(fā)生變化。為了了解不同管型對(duì)噴射性能的影響，分別對(duì)漸縮噴嘴型、漸縮尾擴(kuò)型和直管噴嘴型三種噴射管的噴射流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析在噴射管管型不同時(shí)，管內(nèi)外氣粉流速度的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：手持式噴射器；噴粉速度；仿真

1 引言

近年來，消防人員在面對(duì)各種各樣的火災(zāi)時(shí)，使用的滅火器種類繁多。新設(shè)計(jì)的手持式滅火噴射器，具有結(jié)構(gòu)便攜、噴射迅速的特點(diǎn)，為消防人員提供了更多的滅火選擇；GAMBIT建模軟件可以構(gòu)建仿真模型，F(xiàn)LUENT流體軟件能夠較為逼真的模擬出氣粉二相流，以便進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析。

2 不同管型方案設(shè)計(jì)

噴射管是手持式滅火噴射器的主要部件，其結(jié)構(gòu)尺寸的確定對(duì)噴射性能有很大影響，通過設(shè)計(jì)噴射管的不同管型、管長(zhǎng)和出口直徑，從而研究得出最佳噴射管結(jié)構(gòu)。

管型之間的變化，本質(zhì)上是管體不同階段的漸縮變化，為了清楚不同管型的變化規(guī)律，以漸縮尾擴(kuò)型噴射管結(jié)構(gòu)尺寸為基礎(chǔ)，研究管型變化規(guī)律。下面對(duì)漸縮噴嘴型、漸縮尾擴(kuò)型和直管噴嘴型三種噴射管進(jìn)行三維建模。

根據(jù)同類產(chǎn)品規(guī)格，結(jié)合所選風(fēng)機(jī)出口的尺寸，初步確定不同管型噴射管氣流入口直徑D=104mm、顆粒入口直徑dr=26mm、中心軸線管長(zhǎng)L=1290mm。

表1 不同管型初始尺寸

氣流入口 顆粒入口直 漸縮管長(zhǎng) 直管段直 出口直徑 噴嘴長(zhǎng)度 管長(zhǎng)

直徑D/mm 徑dr /mm 度L1/mm 徑d1/mm d2 /mm L2 /mm /mm

其余各管型尺寸標(biāo)注如下。

3 數(shù)值模型建立與求解

噴射器的管內(nèi)和管外為氣固兩相，氣相連續(xù)、固相離散，兩相均為不可壓縮相，流場(chǎng)具有低速和持續(xù)的特點(diǎn)，顆粒的運(yùn)動(dòng)需要穩(wěn)態(tài)跟蹤。氣固兩相流模型選用顆粒軌道模型；湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k- 模型。

3.1 網(wǎng)格劃分

在GAMBIT軟件中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，Elements：Quad；Type：Submap；Intervel size：2，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

3.2 邊界條件設(shè)置

3.2.1 氣流入口邊界條件的設(shè)置

由于入射氣流是宏觀低速，通過測(cè)試得到入口速度約為38.8m/s，出口速度在100m/s以下，氣流入口設(shè)置為速度入口。

（a）漸縮噴嘴型噴射管尺寸標(biāo)注圖

（b）漸縮尾擴(kuò)型噴射管示意圖

（c）直管噴嘴型噴射管尺寸標(biāo)注圖

圖1不同管型型噴射管尺寸標(biāo)注圖

3.2.2 顆粒入口邊界條件的設(shè)置

顆粒入口速度為宏觀低速，粉流為不可壓縮流動(dòng)，顆粒入口設(shè)置為速度入口。

3.2.3 出口邊界條件設(shè)置

相比于自由出流（outflow）而言，壓力出口（pressure-outlet）更容易收斂，對(duì)于出口有回流的問題，壓力出口能更好的解決。因此，出口邊界設(shè)置為壓力出口。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

氣固兩相相間耦合，存在滑移，氣體作為推動(dòng)動(dòng)力源，其速度大于顆粒速度，氣粉流耦合后的氣固兩相速度取平均值。噴射器的近口流場(chǎng)速度對(duì)射程的影響非常大，重點(diǎn)分析中心軸線上的速度變化。

3.3.1 漸縮噴嘴型噴射管

1）速度流場(chǎng)圖 2）速度位移圖

3.3.2 漸縮尾擴(kuò)型噴射管

3）速度流場(chǎng)圖 4）速度位移圖

3.3.3漸縮尾直型噴射管

5）速度流場(chǎng)圖 6）速度位移圖

圖2不同管型速度分析

圖3不同管型噴射近口流場(chǎng)速度位移

4 結(jié)語(yǔ)

噴射管管型變化的本質(zhì)是管體不同階段漸縮角的變化。管體漸縮角增大時(shí)，氣粉流在管內(nèi)速度增大。有漸縮型噴嘴的噴射管，氣粉流出口處速度值并沒有達(dá)到最大，而是在出口外的一小段距離上速度達(dá)到最大值。不同管型在噴射近口流場(chǎng)核心射流區(qū)的長(zhǎng)度不相等，且可以計(jì)算。

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