□文/張偉

三氟甲烷滅火系統(tǒng)壓力變化規(guī)律的數(shù)值模擬研究

□文/張偉

三氟甲烷滅火系統(tǒng)是以潔凈氣體三氟甲烷為滅火劑的哈龍?zhí)娲鷾缁鹣到y(tǒng)，具有滅火效率高、滅火速度快、環(huán)境污染小等優(yōu)勢(shì)。文章通過(guò)CFD方法對(duì)其在管道內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，分析了三氟甲烷在管網(wǎng)中的壓力和密度的分布狀況，獲得了三氟甲烷在各個(gè)管段的壓力損失狀況，解決了照搬原有舊公式計(jì)算壓力損失所帶來(lái)的不適應(yīng)性等難題。

三氟甲烷滅火系統(tǒng)；CFD數(shù)值模擬；壓力損失

三氟甲烷滅火系統(tǒng)是近十幾年發(fā)展起來(lái)的潔凈氣體滅火系統(tǒng)之一，它的滅火性能優(yōu)良，適用于許多對(duì)保護(hù)對(duì)象安全程度要求高的場(chǎng)所。在工程實(shí)踐中，設(shè)計(jì)者往往需要根據(jù)保護(hù)區(qū)的大小來(lái)確定滅火劑的用量和管網(wǎng)的設(shè)計(jì)，再根據(jù)壓力損失情況確定存儲(chǔ)裝置的壓力，保證安全高效地滅火，三氟甲烷滅火劑在管網(wǎng)中的壓力分布狀態(tài)和損失情況在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占有重要地位。本文通過(guò)CFD理論，利用FLUENT模擬軟件對(duì)三氟甲烷在管網(wǎng)中的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬。

1　三氟甲烷滅火系統(tǒng)

三氟甲烷是潔凈氣體滅火劑中沸點(diǎn)低、飽和蒸汽壓高的一種滅火劑且密度較低，僅為空氣的2.4倍左右，非常適合向高樓層和壓力損失較大的復(fù)雜管網(wǎng)及時(shí)輸送滅火劑撲滅火災(zāi)。它主要通過(guò)化學(xué)作用滅火，在火災(zāi)的高溫中產(chǎn)生的活性基團(tuán)奪取物質(zhì)燃燒必需的游離基，中斷燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)達(dá)到滅火的目的，這個(gè)過(guò)程非常迅速，滅火速度快、效率高，而且三氟甲烷還具有其他氣體滅火劑不常具備的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，如不導(dǎo)電、滅火濃度低、災(zāi)后無(wú)殘留，對(duì)臭氧層的耗損潛能值ODP值為0，環(huán)保性能好，是國(guó)際環(huán)保組織和我國(guó)正式公布允許使用的幾種潔凈氣體滅火劑之一。作為近幾年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的滅火系統(tǒng)，三氟甲烷滅火系統(tǒng)以其自身的優(yōu)點(diǎn)適應(yīng)于大多有貴重物品、電信設(shè)備和人員活動(dòng)的場(chǎng)所。如：計(jì)算機(jī)房、通訊機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、電力控制室、圖書(shū)館、檔案館、博物館及電氣設(shè)備和資料等防護(hù)區(qū)。

2　三氟甲烷在管網(wǎng)中的流態(tài)假定

在三氟甲烷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，三氟甲烷在管網(wǎng)中的流動(dòng)狀態(tài)可以認(rèn)為是以氣相流為主，忽略液相流，假定的理由如下。

1）三氟甲烷的沸點(diǎn)很低，管道內(nèi)壁上的液體會(huì)瞬間氣化。在氣液兩相流系統(tǒng)中，液體以液膜的形式附著在管壁周圍，當(dāng)氣體的流速較高時(shí)，液膜有可能覆蓋整個(gè)圓周，形成環(huán)狀流。同時(shí)，在垂直上升管和水平管中，當(dāng)管壁的溫度高到能使液膜汽化時(shí)，氣液兩相流動(dòng)的流行就變?yōu)殪F狀流型，即氣相中還含有微小的液滴。

三氟甲烷滅火劑在噴放過(guò)程中氣壓大，流速高，所以即使有液體被帶入管道，也會(huì)形成環(huán)狀流的兩相流型，在管壁整個(gè)圓周上附著有三氟甲烷的液膜。三氟甲烷的沸點(diǎn)為-82℃，臨界溫度為25.8℃，在常溫下管壁的溫度對(duì)于三氟甲烷來(lái)說(shuō)已算是高溫，所以三氟甲烷在常溫下管道內(nèi)流動(dòng)形態(tài)接近于霧狀流，這時(shí)管壁上的液膜都將在短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)為氣體，沿著管道向前流動(dòng)。三氟甲烷在管壁上能夠迅速汽化，所以在管網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)，三氟甲烷液體造成的壓力損失所占的比例較小。

2）在只有10 s的噴放時(shí)間內(nèi)，存儲(chǔ)瓶?jī)?nèi)蒸發(fā)的三氟甲烷氣體體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其液態(tài)體積。

目前的三氟甲烷儲(chǔ)存瓶都是以質(zhì)量做為填充標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)格為70 L、充裝比為1.5、三氟甲烷質(zhì)量為46 kg的單個(gè)存儲(chǔ)瓶為例，在20℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，三氟甲烷的液態(tài)密度為806.6 kg/m3，氣體密度約為2.8 kg/m3，則存儲(chǔ)瓶?jī)?nèi)液態(tài)總體積

所以V氣=280V液

在短短10 s的噴放時(shí)間中，噴出的三氟甲烷氣體體積是液體體積的280倍。

所以，可以認(rèn)為三氟甲烷的噴放過(guò)程是一個(gè)三氟甲烷在存儲(chǔ)瓶?jī)?nèi)不斷蒸發(fā)，然后氣體進(jìn)入管道中充滿管網(wǎng)的過(guò)程，期間氣體體積在管網(wǎng)中占據(jù)了絕對(duì)大的空間，即使噴放時(shí)從存儲(chǔ)瓶中帶出了一部分液體到管道中，這些液體也會(huì)在很短時(shí)間和很短距離內(nèi)快速揮發(fā)為氣體沿著管道繼續(xù)向前流動(dòng)，流動(dòng)的推動(dòng)力來(lái)自三氟甲烷存儲(chǔ)瓶?jī)?nèi)不斷揮發(fā)的非常高的飽和蒸汽壓力。由于單個(gè)存儲(chǔ)瓶?jī)?nèi)三氟甲烷完全揮發(fā)為氣體的體積遠(yuǎn)大于液體體積并在極短的時(shí)間完成這個(gè)過(guò)程，所以在管網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)，液態(tài)三氟甲烷的影響較小，整個(gè)管網(wǎng)充滿的幾乎是氣體三氟甲烷，造成壓力損失的也主要是氣體，所以在研究時(shí)可以考慮采用氣體單相流的設(shè)計(jì)思路。

3　計(jì)算模型

3.1模型的建立與網(wǎng)格的劃分

本研究所用的三氟甲烷系統(tǒng)的簡(jiǎn)化裝置來(lái)自塘沽某建筑物滅火系統(tǒng)，裝置模型見(jiàn)圖1。

存儲(chǔ)瓶90 L，滅火劑用量64 kg，充裝比為1.4 L/kg，噴放時(shí)間10 s，管網(wǎng)為鋼管，AB段管徑DN40 mm，BC段管徑DN32 mm，噴頭為22號(hào)。附件當(dāng)量長(zhǎng)度：連接管0.6 m、單向閥3.6 m、選擇閥6 m、逆止閥0.6 m、彎頭（DN40 mm）1.6 m、彎頭（DN32 mm）1.4 m、轉(zhuǎn)彎直管部分0.9 m、轉(zhuǎn)彎支管部分3.1 m。

本研究的目標(biāo)是建立三氟甲烷在管網(wǎng)內(nèi)的壓力模擬方法，因此抽象裝置時(shí)只需建立管網(wǎng)的模型。本研究中建立壓力模擬的模型時(shí)，考慮到管道模型具有對(duì)稱性和規(guī)則性，建立一個(gè)三維的物理模型，為便于模擬，對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化。將彎頭、轉(zhuǎn)接管、閥門(mén)等轉(zhuǎn)化為其當(dāng)量長(zhǎng)度并在長(zhǎng)度上，見(jiàn)圖2。

圖1　三氟甲烷系統(tǒng)裝置

圖2　簡(jiǎn)化計(jì)算模型

將模型導(dǎo)入Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體/鍥形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

3.2模型的設(shè)置及邊界條件

管網(wǎng)中的流動(dòng)為非定常流動(dòng)且壓力和流速都較大，因此本研究可視三氟甲烷為可壓縮氣體，各處的密度有所不同，不計(jì)重力。連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程聯(lián)立耦合求解。模型本身并不復(fù)雜，采用具有穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性且計(jì)算精度比較高的標(biāo)準(zhǔn)模型作為湍流模型湍動(dòng)模型。標(biāo)準(zhǔn)模型是一種高雷諾（Re）數(shù)模型，即是針對(duì)湍流發(fā)展非常充分的湍流流動(dòng)而建立的模型。但是，對(duì)于湍流發(fā)展并不充分的近壁區(qū)，湍流的脈動(dòng)影響可能不如分子粘性的影響大，在更貼近壁面的底層內(nèi)，流動(dòng)可能處于層流狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)模型在這些區(qū)內(nèi)使用會(huì)產(chǎn)生模擬不準(zhǔn)確問(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)題，采用壁面函數(shù)法處理固壁邊界。進(jìn)口邊界條件設(shè)為質(zhì)量流的形式，本試驗(yàn)滅火劑質(zhì)量為64 kg，噴放時(shí)間為10 s，則Q=0.95× 64/10=6（kg/s）。出口壓力邊界條件，根據(jù)國(guó)內(nèi)一些地方規(guī)范規(guī)定三氟甲烷滅火系統(tǒng)噴口最低工作壓力，設(shè)為1.4 MPa。壓力—速度耦合求解，壓力項(xiàng)采用PRESTO格式離散，對(duì)流項(xiàng)采用QUICK格式離散，湍流耗散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散求解。

4　模擬結(jié)果與分析

4.1壓力場(chǎng)

從圖3中可以很清楚地得到管道各點(diǎn)的壓力變化情況。壁面總壓沿整個(gè)流動(dòng)方向呈遞減趨勢(shì)。管道底部質(zhì)量進(jìn)口的平均總壓為2.87 MPa，頂部的壓力出口的平均總壓為1.71 MPa，管道總長(zhǎng)為24 m，進(jìn)出口壓力總損失為1.16 MPa。

圖3　管道三維壁面壓力

從圖4a可見(jiàn)，在進(jìn)口直管內(nèi)部總壓的分布呈現(xiàn)對(duì)稱性；直管內(nèi)的軸心壓力大于管壁壓力且平均總壓沿程遞減。原因可能是，隨著氣體的不斷流動(dòng)，管壁邊界層對(duì)氣流產(chǎn)生流動(dòng)阻力，使得管壁周圍的壓力首先減小并通過(guò)氣體粘性的作用將這種影響逐層地向管道軸心方向傳遞，所以，在流動(dòng)持續(xù)一段距離后，軸線處始終保持的進(jìn)口總壓力在某個(gè)橫截面也將減小至與管壁相同的壓力，這時(shí)管內(nèi)的壓力又將以一個(gè)值均勻地分布在管道內(nèi)，出現(xiàn)上述進(jìn)口處的分布狀況。

彎頭內(nèi)部的壓力分布情況見(jiàn)圖4b，彎頭前的直管總壓對(duì)稱分布，壁面處總壓較小；彎頭中的總壓分布在管壁很小的厚度內(nèi)壓力相同并小于軸心處壓力；管道內(nèi)壁的等壓層的厚度為進(jìn)口處小于出口處，管道外壁情況相反；彎頭后的一段距離內(nèi)管道總壓分布對(duì)稱，管道上壁壓力大，靠近彎頭內(nèi)壁出口處的壓力低；隨著氣體的流動(dòng)，這種情況逐漸消失，又恢復(fù)直管內(nèi)的總壓分布狀況，即分布對(duì)稱、平均壓力沿程遞減以及軸心壓力高于壁面壓力。這可能是由于管道中的氣流經(jīng)過(guò)彎頭時(shí)出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象，即氣流進(jìn)入彎頭后，在離心力的作用下管軸線中心的高壓高速氣體向彎頭外壁方向擠壓，與彎頭內(nèi)壁的低速氣流產(chǎn)生流動(dòng)分離，擠壓外壁低速氣流，所以外壁氣流層厚度逐漸變小至消失，內(nèi)壁氣流層厚度增大并且管壁周圍氣流的壓力幾乎相等，形成同等壓力的等壓層。若中心氣流速度很大，在彎頭內(nèi)壁處還可能出現(xiàn)多個(gè)低壓氣流等壓層并且越靠近管軸中心的壓力層的壓力越大。

從圖4c可見(jiàn)管網(wǎng)出口處彎頭內(nèi)部也出現(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn)象，但是彎頭后的直管段長(zhǎng)度很短，流動(dòng)分離現(xiàn)象不能消失，所以在管網(wǎng)末端的噴頭處仍將受到其影響，即末端直管道外壁壓力大于管道內(nèi)壁并在其間形成多個(gè)同等壓力層，在噴嘴上方的管段內(nèi)呈現(xiàn)出3個(gè)不同的壓力層，壓力大小由內(nèi)向外增大。

圖4　管道二維軸心剖面壓力分布

4.2密度場(chǎng)

直管內(nèi)氣體密度在整個(gè)管段呈減小趨勢(shì)。管網(wǎng)底部質(zhì)量入口截面的平均密度為77.5 kg/m3；第一個(gè)彎頭B進(jìn)口截面的平均密度為73.25 kg/m3，出口處截面的平均密度為73.05 kg/m3，密度逐漸減小；到壓力出口截面處時(shí)，平均密度減小到40.88 kg/m3。所以在24 m長(zhǎng)的管段中，氣體的密度減少了一半左右。圖5a可見(jiàn)進(jìn)口直管內(nèi)氣體密度均勻分布，不同于直管內(nèi)壓的分布，管道內(nèi)各截面上的密度保持一致，軸線中心的密度與管壁處的密度相同。管內(nèi)局部彎頭和出口彎頭處密度分布有一致特征（圖5b和5c）：外壁處密度最大，形成一個(gè)具有一定厚度的高密度層；這個(gè)密度層的密度大于彎頭兩側(cè)的直管密度。彎頭內(nèi)壁處密度最小，也形成一個(gè)有一定厚度的低密度層，密度層的密度低于彎頭兩側(cè)的直管密度且內(nèi)外壁中間沒(méi)有一個(gè)過(guò)渡的密度層，中間層的密度接近于彎頭兩側(cè)的直管密度。

圖5　管道二維軸心剖面密度分布

4.3模擬狀況總結(jié)

通過(guò)以上的模擬，得到了管網(wǎng)內(nèi)部壓力場(chǎng)和密度場(chǎng)的分布狀況。

4.3.1壓力場(chǎng)

1）進(jìn)口直管內(nèi)部軸心剖面的總壓分布狀況呈現(xiàn)對(duì)稱性、軸心壓力大于管壁壓力和平均總壓沿程遞減的特點(diǎn)。

2）彎頭內(nèi)部的總壓分布狀況由于存在氣流的邊界層分離現(xiàn)象，內(nèi)壁存在多個(gè)總壓等壓層，越靠近外壁壓力大小越大；管道內(nèi)壁的等壓層厚度隨流動(dòng)逐漸增大，而管道外壁情況相反，等壓層厚度逐漸減小至消失。

3）出口管段內(nèi)總壓分布受邊界層分離現(xiàn)象影響，在噴嘴上方直管內(nèi)出現(xiàn)出3個(gè)不同的壓力層，壓力大小由內(nèi)向外增大。

4.3.2密度場(chǎng)

1）進(jìn)口直管內(nèi)氣體密度分布狀況為密度均勻分布并在整個(gè)管段內(nèi)呈減小趨勢(shì)。

2）彎頭內(nèi)部密度分布存在多個(gè)等密度層，越靠近管道外壁，等壓層密度越大。

3）管網(wǎng)末端管道內(nèi)密度分布相似于進(jìn)口直管內(nèi)的密度分布狀況，即均勻分布并在整個(gè)管段內(nèi)呈減小趨勢(shì)。

5　結(jié)論

通過(guò)管網(wǎng)壓力場(chǎng)模擬結(jié)果，在保證末端壓力＞1.4 MPa的同時(shí)，依據(jù)各段壓力值可確定各段管道、噴頭和泄壓口的型號(hào)，同時(shí)可以校核管網(wǎng)管徑大小滿足流量需求，確定起始?jí)毫χ导s2.9 MPa。通過(guò)密度場(chǎng)模擬結(jié)果，可以得單體覆蓋區(qū)域設(shè)計(jì)濃度。通過(guò)整體防護(hù)區(qū)域劃分及凈容積的劃分，可以選擇及合理布置滅火劑數(shù)量及布置方位。最后，使得整體區(qū)域都有效地被滅火系統(tǒng)覆蓋，達(dá)到施工驗(yàn)收的技術(shù)要求及標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于圖書(shū)館、檔案館、博物館等以A類火災(zāi)為主的防護(hù)區(qū)，滅火設(shè)計(jì)濃度采用19.5%；計(jì)算機(jī)房、通訊機(jī)房、油浸變壓室、配電室等以電器類火災(zāi)或B類火災(zāi)為主的防護(hù)區(qū)、滅火設(shè)計(jì)濃度采用15.6%。系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用全淹沒(méi)方式，通過(guò)管網(wǎng)系統(tǒng)和預(yù)制裝置，將整體防護(hù)區(qū)覆蓋。

TU998.1

C

1008-3197（2016）03-11-04

2016-01-10

張偉/男，1987年出生，助理工程師，天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，從事工程設(shè)計(jì)工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.03.005