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(1.中國艦船研究設(shè)計中心,武漢 430064;2.國家水運安全工程技術(shù)研究中心,武漢 430063)
1982年馬島戰(zhàn)爭中英國“謝菲爾德”號驅(qū)逐艦的沉沒,使得各國都注意到了船舶火災(zāi)的特殊性和防止船舶發(fā)生火災(zāi)的重要性[1]。鹵代烷1301滅火系統(tǒng)一般有2個研究方向:①鹵代烷1301的毒性對人體的影響,在這方面,國外做了大量的試驗和報導(dǎo);②滅火劑在管道內(nèi)的兩相流動,包括管道壓降和噴射時間的計算。
有學(xué)者對鹵代烷1301在管道內(nèi)的流動進行了分析,指出計算管道壓降的關(guān)鍵在于管道內(nèi)滅火劑密度隨壓力的變化關(guān)系[2]。哈龍的設(shè)計計算是為了給防護區(qū)提供規(guī)定的滅火劑濃度,論述了溫度、壓力和兩相流對哈龍1301在管道中的流動狀態(tài)的影響[3]。有學(xué)者做了大量鹵代烷1301滅火系統(tǒng)釋放的試驗,記錄了管道壓力、噴嘴流量、噴射時間等重要參數(shù)[4]。以飛機上的鹵代烷1301滅火系統(tǒng)為對象,利用FLUENT軟件對滅火劑的流動特性進行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果表明,管徑對于滅火劑的釋放影響很大[5]。
盡管軍事領(lǐng)域并不屬于禁止使用哈龍滅火劑的規(guī)定場所,但國家政令的頒布使得國內(nèi)消防學(xué)者對于1301滅火系統(tǒng)的設(shè)計、1301滅火劑在管道內(nèi)的流動特性等方面的研究越來越少。有學(xué)者從理論上推導(dǎo)出鹵代烷1301管道壓降的計算公式,在隨后發(fā)表的論文中介紹了不同種類的1301滅火系統(tǒng),并根據(jù)1301滅火劑的流動特性,提出了管路布置方法,供設(shè)計人員參考[6-7]。文獻[8]詳細論述了船用1301滅火系統(tǒng)的設(shè)計和比較實用的管網(wǎng)水力計算方法,并給出了圖表與數(shù)據(jù),方便設(shè)計者參考選取,還指出,船用1301滅火系統(tǒng)在噴射終了時,儲液瓶內(nèi)的驅(qū)動氣體壓力不應(yīng)低于1.5 MPa,且進行管路設(shè)計計算時的噴嘴壓力應(yīng)不小于1.4 MPa。文獻[9]對鹵代烷1301進行了噴射試驗研究,對防護區(qū)(航天器)內(nèi)的溫度、壓力等參數(shù)進行了測量。
文獻[10]對常見的7種氣體滅火系統(tǒng)進行了比較,并結(jié)合各自特點,對如何選擇合適的氣體滅火系統(tǒng)做了比較詳細的分析。文中指出,雖然我國在2010年之后不再生產(chǎn)1301滅火劑,但并不表明將會停止1301滅火劑的使用,建議不要盲目地采用替代的滅火劑而減少1301滅火劑的使用,因為這樣會降低某些必要場所(如飛機、艦船等)的消防能力[11]。
從上述研究中可以發(fā)現(xiàn),目前針對鹵代烷1301的管網(wǎng)壓力計算方法主要為實驗和理論推導(dǎo),隨著數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值仿真(CFD)的大規(guī)模應(yīng)用,探索采用CFD方法研究管網(wǎng)內(nèi)壓降將是以后研究的主要方向。機艙作為船舶火災(zāi)案例的重要防護對象[12],建立典型機艙管網(wǎng)物理模型,構(gòu)建了高精度結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,采用Fluent平臺進行數(shù)值仿真計算,得到管網(wǎng)流速和滅火劑密度在不同儲壓罐壓力情況下的分布規(guī)律。
鹵代烷1301滅火系統(tǒng)是氣體滅火系統(tǒng)的一種,以在常溫、常壓下呈現(xiàn)氣態(tài)的鹵代烷1301作為滅火介質(zhì),通過氣態(tài)鹵代烷1301在整個防護區(qū)內(nèi)或保護對象周圍的局部區(qū)域建立起滅火濃度實現(xiàn)滅火。
鹵代烷1301屬于烷烴類有機化合物,是哈龍滅火劑的一種。1301這4個數(shù)字分別代表烷烴分子中碳、氟、氯、溴各原子的個數(shù),其分子式為CF3Br,名稱為三氟一溴甲烷。在常溫常壓下,鹵代烷1301是一種無色無味的氣體,屬于易液化氣體型滅火劑,其主要物理性質(zhì)見表1[13]。
表1 鹵代烷1301的主要物理性質(zhì)
鹵代烷1301是一種能夠用于撲救多種類型火災(zāi)的有效滅火劑,具有滅火快、不導(dǎo)電、耐貯存、腐蝕性小、毒性較低、滅火后不留痕跡等優(yōu)點,其優(yōu)良滅火性能使得鹵代烷1301滅火系統(tǒng)在上個世紀末已廣泛應(yīng)用于圖書、檔案、美術(shù)、文物等大量珍貴資料的庫房、散裝液體庫房、電子計算機房、通訊機房、變配電室等場所。
1)瓶內(nèi)氣體的膨脹。鹵代烷1301在儲液瓶中呈液態(tài)保存,但僅靠鹵代烷1301的蒸氣壓無法在規(guī)定的時間內(nèi)將大部分滅火劑輸送到防護區(qū),需要利用氮氣將滅火劑加壓儲存。系統(tǒng)未運行時,瓶內(nèi)的氮氣與液態(tài)滅火劑處于氣液平衡狀態(tài),瓶內(nèi)氣相區(qū)為氮氣和1301蒸氣的混合氣體。一旦火災(zāi)發(fā)生,閥門打開,滅火劑在高壓氣體的推動下進入管網(wǎng),此時儲液瓶內(nèi)的氣體膨脹,壓力下降,少量1301蒸發(fā),液態(tài)滅火劑中溶解的氮氣分離出來;當液態(tài)滅火劑全部噴入管網(wǎng)中后,瓶內(nèi)氣體的壓力依舊很高,氣體繼續(xù)膨脹并進入管網(wǎng);大部分滅火劑噴出系統(tǒng)后,氣體通過噴嘴噴出。
2)管道中滅火劑的流動。由于滅火劑的物理特性,其在管網(wǎng)中的流動很復(fù)雜。鹵代烷1301滅火劑在平時加壓儲存在儲液瓶內(nèi),發(fā)生火災(zāi)時被施放到管網(wǎng)中經(jīng)噴嘴噴射入防護區(qū)進行滅火。在常溫下,鹵代烷1301滅火劑具有較高的蒸氣壓,21 ℃時其蒸氣壓達1.47 MPa,在常溫常壓下,鹵代烷1301極易汽化。鹵代烷1301在管道中流動需要克服沿程損失及局部阻力損失,管段內(nèi)的壓力是不斷下降的,壓力的降低,使得鹵代烷1301迅速地汽化而膨脹,造成流量迅速減小。此外,用氮氣加壓會使部分氮氣溶解到液態(tài)鹵代烷1301中,氮氣的溶解量與其壓力和溫度有關(guān),壓力增高則溶解量增加。在施放鹵代烷1301的過程中,由于壓力不斷下降,溶于液態(tài)鹵代烷1301中的氮氣會部分分離出來。
考慮到文中的算例有射流的情況,并且為變截面管道內(nèi)流動,流動過程有二次流產(chǎn)生,采用Realizablek-ε模型較為合理。
實際工程中,管段中的流體包括液態(tài)鹵代烷1301、氣態(tài)鹵代烷1301以及從溶液中分離出來的氮氣,因此滅火劑流動呈兩相流動。對于兩相管流,目前的流體仿真軟件并不能準確計算出真實結(jié)果,對于有蒸發(fā)現(xiàn)象的兩相管流更加困難,須對物理問題進行簡化。對于滅火劑管網(wǎng)流量分配特性的研究,只需關(guān)注各管段的流量,而不需要關(guān)注管道中氣液兩相的流動細節(jié),將此問題簡化為液態(tài)鹵代烷1301在管道中的單相流動。
計算中使用的計算參數(shù)包括液態(tài)鹵代烷1301的密度及黏度,其數(shù)值可從規(guī)范中查得,見表2。為加速收斂,使用質(zhì)量流量入口邊界條件,入口流速為60 kg/s(該值為設(shè)計平均流量),出口(噴嘴處)使用壓力出口邊界條件,出口壓力為100 kPa。液態(tài)鹵代烷1301的密度較大,因此考慮重力。
表2 液態(tài)鹵代烷1301計算參數(shù)
圖1為后機艙爐艙管網(wǎng)的幾何模型,圖中的1、2、3點分別是主管道在第二層的分流三通、第三層主管的分流三通和管道與噴嘴的連接處,其網(wǎng)格局部放大圖見圖2。
圖1 后機爐艙管網(wǎng)整體模型
圖2 管網(wǎng)細節(jié)處網(wǎng)格局部
對于圓形管道,為提高網(wǎng)格質(zhì)量,需要對所有block進行O-block劃分,管網(wǎng)進口處和噴嘴處的O-block生成的網(wǎng)格見圖3。
圖3 管網(wǎng)O型網(wǎng)格示意
網(wǎng)格總數(shù)約為200萬,網(wǎng)格質(zhì)量方面,使用QUALITY算法,其質(zhì)量達到0.4以上,遠超過商業(yè)流體軟件的0.1下限。
圖4為管道內(nèi)的壓力分布,可以看到第一層管道距離儲壓瓶最近,內(nèi)部的壓力最大,每通過一個交叉口后,管道內(nèi)的壓力均有明顯降低。從圖中可以看出,最大壓力為449.01 kPa;管道流動中出現(xiàn)了負壓,這是液體單相流動的正?,F(xiàn)象,在彎管或三通處會出現(xiàn)繞流,出現(xiàn)負壓區(qū)。在滅火劑沿管網(wǎng)流動的過程中,由伯努利方程可知,管道壓力轉(zhuǎn)化為滅火劑的流速,因此壓力沿管道越來越低。
圖4 管道流動壓力分布云圖
圖5為滅火劑在管網(wǎng)流動的速度分布云圖,圖6為三通點1、2、3、4云圖及流線的局部放大圖。整個管網(wǎng)最大流速約為20 m/s,與壓力分布不同,沿著流動方向,滅火劑的流速并不一定一直增加,雖然管徑越來越小,但由于三通分流,各管段的流量也在不斷減小。
圖5 管道流動速度分布云圖
1點為三通處物理模型對稱,但速度云圖及流線并不完全對稱,因為來流方向的管段過短,只有0.6 m,使得來流滅火劑的速度方向并不與管段平行,造成了側(cè)管速度云圖及流線的不對稱性;2點為主管道第一次三通分流,分流后管徑減小,直管與側(cè)管的滅火劑流速均增大,由于慣性的作用,側(cè)管內(nèi)靠直管一側(cè)的滅火劑流速較大;3點為第三層管網(wǎng)主管的三通分流,從流線可以看出,三通處出現(xiàn)明顯的二次流,兩側(cè)出現(xiàn)漩渦,流體呈湍流狀態(tài),是三通處壓力降低較快的原因,在水力計算中,計算壓降時必須加上管段附件引起的局部阻力壓損;4點為三通的側(cè)管管段10-18,從圖6中可見,管徑的減小使得滅火劑流速增大,但側(cè)管的分流作用使得滅火劑流速減小。
圖7為典型位置流線,3點附近管道內(nèi)滅火劑出現(xiàn)二次流,在分叉位置出現(xiàn)了明顯渦結(jié)構(gòu)。
圖6 管網(wǎng)三通處的速度云圖及流線圖
圖7 典型位置流線
圖8 第二層管段的速度云圖
圖8為第二層管網(wǎng)速度分布云圖,圖9為第三層管網(wǎng)速度分布云圖。第二層管網(wǎng)內(nèi)滅火劑最大流速為14.69 m/,第三層管網(wǎng)內(nèi)滅火劑最大流速為20.59 m/s。在分流三通和噴嘴與管段的連接處,有一小段管段上的滅火劑流速較大,由于管徑的減小使得滅火劑流速增大;由于側(cè)管或噴嘴的分流,滅火劑流速減小。
圖9 第三層管段的速度云圖
在CFD-POST中取每個管段截面上的質(zhì)量流量,并與各管段設(shè)計流量相比較,其值見表3。其中相對誤差為(計算流量-設(shè)計流量)/設(shè)計流量×100%,其值為正說明計算流量大于設(shè)計流量,其值為負則計算流量小于設(shè)計流量。從表3中可以看出,除管段10-18以外,各管段流量的相對誤差值均在5%之內(nèi),對于工程問題,誤差值在允許的范圍之內(nèi),說明各管段管徑的選取較為合理;管段10-18的計算流量為4.39 kg/s,比設(shè)計流量(4 kg/s)大9.65%,在實際工程中可以減小該管段的管徑,以減小流量。
管道內(nèi)流動的滅火劑密度與管道壓力有關(guān),圖10為不同貯存壓力和不同充裝密度下,滅火劑密度與管道壓力的曲線圖。
表3 各管段設(shè)計流量與計算流量值的比較
圖10 不同管道壓力下滅火劑的密度
1)相同貯存壓力下,充裝密度越大,一定管道壓力對應(yīng)的滅火劑密度越大,因為充裝密度越大,液態(tài)滅火劑中溶解的氮氣量就越少。
2)相同充裝密度下,貯存壓力越大,一定管道壓力對應(yīng)的滅火劑密度越小,因為貯存壓力越大,液態(tài)滅火劑中溶劑的氮氣量就越多。
建立后機爐艙管網(wǎng)的三維物理模型,計算后機爐艙滅火系統(tǒng)設(shè)計流量工況下液態(tài)鹵代烷1301在管網(wǎng)內(nèi)的流動,得出整個管網(wǎng)的壓力及速度分布云圖,利用CFD-POST計算各管段的流量,并與設(shè)計流量作比較。計算結(jié)果表明,管段10-18的計算流量比設(shè)計流量稍大,在實際過程中應(yīng)當減小該管段的管徑以減小流量;其他管段的計算流量與設(shè)計流量偏差不大,其誤差值在允許的范圍之內(nèi),說明各管段管徑的選取較為合理。