牟善軍，郎需慶，周日峰，牟小冬，劉全楨，吳京峰

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，青島，266071)

0 引言

油庫中油罐是油料儲備的必備設(shè)施，為滿足戰(zhàn)略儲備庫建設(shè)的需要，儲油罐正逐漸向大型化、集群化方向發(fā)展[1]。油庫罐區(qū)是火災(zāi)爆炸危險的多發(fā)區(qū)域，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢迅猛，蔓延迅速，并在熱輻射或火焰沖擊的作用下，擴散到相鄰儲罐，這對油田企業(yè)的經(jīng)濟效益甚至工作人員的生命安全造成了巨大的威脅。為了應(yīng)對大規(guī)模油庫罐區(qū)火災(zāi)，大流量泡沫滅火系統(tǒng)是當(dāng)前研究的熱點，尤其是壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)(CAFS)，以流量大和泡沫質(zhì)量高著稱。液氮的氣化比為650左右，能夠高效提供大量壓縮氣體，因此在大流量泡沫滅火系統(tǒng)中有著獨特優(yōu)勢。起初，液氮及氮氣泡沫防滅火技術(shù)在煤礦火災(zāi)中應(yīng)用較多[2,3]。Zhou等[4]利用氮氣三相泡沫進行煤礦滅火實驗，研究發(fā)現(xiàn)三相泡沫具有較好的固氮作用，泡沫破裂，釋放出大量氮氣，氧氣濃度低于5%，且一氧化碳濃度顯著降低。Smith等[5]和Lu等[6,7]將氮氣泡沫噴射至采空區(qū)，溫度顯著降低，氧氣和可燃氣體濃度均減小。王書慶等[8]和李紅亮等[9]認為氮氣泡沫井下滅火時氮氣流量應(yīng)較小，采用中低倍數(shù)才能使泡沫液充分發(fā)泡。然而，氮氣泡沫供氣多來自液氮汽化器，流程復(fù)雜，成本較大，且汽化速度較慢。因此，中石化安全工程研究院[10]利用液氮高汽化比特點，提出將液氮直接噴射入泡沫混合液中，使其在巨大的溫差下快速相變產(chǎn)生大量氮氣，從而產(chǎn)生大量均質(zhì)泡沫。

為獲得高質(zhì)量泡沫，相與相之間相互作用及摻混機理至關(guān)重要，但目前，液氮與泡沫混合液間作用機理以及發(fā)生器內(nèi)部流動規(guī)律尚無相關(guān)文獻報道。然而，很多研究學(xué)者對空氣泡沫發(fā)生器內(nèi)部流動特性及低溫流體直接射入水中進行了詳細的研究。劉承婷等[11]建立了泡沫發(fā)生器實驗?zāi)Ｐ?，并對同心管式泡沫發(fā)生器進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用PIV技術(shù)研究了不同氣液表觀速度對泡沫的影響，但該泡沫發(fā)生器多應(yīng)用于沖砂洗井。2017年，劉承婷等[12]進一步研究了不同角度的擋板式泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場分布，發(fā)現(xiàn)擋板的繞流作用隨著角度的增大而增強，形成的渦流越大，發(fā)泡效果越好。李松巖等[13]對同心管式和射流式泡沫發(fā)生器的內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)，射流式泡沫發(fā)生器產(chǎn)生的泡沫質(zhì)量高于同心管式；在一定范圍內(nèi)，氣液入口速度對壓降損失影響較大，但對產(chǎn)生的泡沫均勻程度影響較小，這對設(shè)計泡沫發(fā)生器有重要的指導(dǎo)作用。周日峰等[14]模擬研究了錐形和多級孔板組合擾流器結(jié)構(gòu)下的泡沫發(fā)生器流場，發(fā)現(xiàn)擾流器下游存在回流區(qū)，兩相分布較為均勻，這表明該組合擾流器結(jié)構(gòu)能夠強化氣液摻混。

對于低溫流體與水傳熱傳質(zhì)過程的研究，Gopalaswami等[15]認為液氮釋放到水上時，發(fā)生的是膜態(tài)沸騰，Berenson模型[16]能夠捕捉到熱流密度隨時間的變化趨勢，與實驗結(jié)果吻合較好，而Klimenko模型[17,18]與實驗結(jié)果相差較大。Clarke等[19]利用高速攝像對液氮快速相變和與水傳熱現(xiàn)象進行拍照和分析，研究發(fā)現(xiàn)，無論是氮氣噴射入水中還是液氮噴射到空氣中，相間質(zhì)量傳遞、潛熱和顯熱傳遞等對壓力增加速率、射流形狀的影響都不同。Liu等[20]建立了雙流體與傳熱模型相互耦合的數(shù)值模型，以Clarke等[19]實驗工況模擬了液氮噴射入水中的快速相變過程。他(她)們認為快速相變本質(zhì)上是液氮與水之間強制對流、膜態(tài)沸騰、爆發(fā)沸騰和核態(tài)沸騰的快速轉(zhuǎn)變，將相間對流傳熱系數(shù)按這四個階段分別設(shè)置進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較為吻合。Wen等[21]、Raj和Bowdoin[22]和Qi等[23]的研究結(jié)果均表明水與低溫流體、水與蒸汽泡之間有較高的傳熱速率。Sibamoto等[24]和 Perets等[25]研究了水(低溫、較輕的液體)噴射和熱熔金屬(高溫、密度較大的液體)之間的物理和熱力相互作用關(guān)系，這與LN2噴射到大量水中相似。

為了研究掌握液氮泡沫發(fā)生器內(nèi)部低溫流體和水的氣化摻混機理和規(guī)律，本文設(shè)計搭建了液氮泡沫發(fā)生器大尺度可視化實驗系統(tǒng)，從工業(yè)層面研究了氮氣-水兩相流及滅火泡沫流動特性，自行開發(fā)編制了Labview采集程序、IMP溫度采集矩陣，獲取了液氮泡沫發(fā)生區(qū)域內(nèi)壓力、流量及溫度等參數(shù)演化規(guī)律。

1 實驗系統(tǒng)介紹

1.1 實驗系統(tǒng)

本實驗系統(tǒng)主要包括水主流管路、泡沫原液管路、低溫液氮管路、測試段四部分，采用美國NI公司PCI-6143同步高速采集卡、輸力強公司IMP系列35951A、35951H采集板以及高清攝像進行數(shù)據(jù)采集，如圖1所示。

1-進水(柴油機消防栓)，2-法蘭，3-電磁流量計，4-耐震壓力表，5-熱電阻，6-壓力傳感器，7-擾流器，8-T型熱電偶組，9-差壓傳感器，10、11-泡沫原液儲罐，12-離心泵，13-渦輪流量，14-渦輪流量，15-液氮杜瓦瓶，16-高速攝像機，17-攝像機，18-IMP采集板，19-計算機，20-渦街流量計圖1 液氮泡沫實驗流程圖Fig. 1 Experimental flow chart of liquid nitrogen foam

水主流管路主要包括消防栓、電磁流量計、壓力表、熱電阻等，水從消防栓泵送入，經(jīng)軟管流至直徑為50 mm的不銹鋼主水管路，在泡沫原液進口處與其混合，通過電磁流量計計量后，進入液氮泡沫發(fā)生區(qū)域。在水主流管路中，輸水泵采用多級離心泵，型號為DLB4-120，轉(zhuǎn)速2 300 r/min，量程0 m3/h～4 m3/h，揚程95 m；電磁流量計可對液體體積流量、液體速度等參數(shù)進行計量，可就地顯示也可遠傳，其量程為3.5 m3/h ～70 m3/h。壓力表為就地顯示儀表，用于流量調(diào)節(jié)時監(jiān)測管道壓力，量程為0 MPa～1 MPa。

泡沫原液管路主要由泡沫原液儲罐、多級離心泵、渦輪流量計、壓力表等組成。為了保證流量，在泡沫原液儲罐出口處設(shè)計了并聯(lián)連接方式，即分兩路進行，由2個離心泵同時泵送，經(jīng)渦輪流量計計量后匯合，并由1個總的渦輪流量計計量，流經(jīng)壓力表后進入水主流管路，與主流水充分混合后進入液氮泡沫發(fā)生區(qū)域。在泡沫原液管路中，離心泵的流量為4 m3/h，揚程為95 m，兩個支路上渦輪流量計型號為LWGY-32B，量程為1.5 m3/h～15 m3/h；匯合管路上渦輪流量計型號為LWGY-50B，量程為4 m3/h～40 m3/h；壓力表為就地顯示儀表，用于流量調(diào)節(jié)時監(jiān)測管道壓力，量程為0 MPa～1 MPa。流經(jīng)壓力表后采用軟管將泡沫原液輸送至水主流管路。

液氮管路主要由液氮杜瓦瓶、低溫不銹鋼金屬軟管以及羅斯蒙特8800D型智能渦街流量計等組成。低溫液氮流經(jīng)不銹鋼管，通過渦街流量計計量后，由液氮噴管噴射進入液氮泡沫發(fā)生區(qū)域。由于低溫液氮極易在管內(nèi)汽化，噴射出液氮-氮氣兩相流，渦街流量計難以測量準確，本文同時采用計時稱重法測量液氮的平均質(zhì)量流量。

測試段即可視化泡沫發(fā)生區(qū)域，由內(nèi)徑100 mm、長1 500 mm的有機玻璃管組成。液氮射流至泡沫混合液后，快速相變產(chǎn)生的氮氣與泡沫混合液進行混合發(fā)泡，經(jīng)消防軟管后噴射。

1.2 測點布置及測試方法

入口段和出口段分別安裝1個PT100熱電阻，用于測量泡沫原液與水混合后的溫度及產(chǎn)生泡沫后的溫度；并分別安裝一個壓力表，以實時監(jiān)測管道壓力。為減小熱電偶套管對流體流場的影響，僅測上半部分的溫度?？梢暬袡C玻璃管段取S1、S2、S3、S4、S5五個截面作為測試截面，如圖2所示，每個截面處沿徑向從管道中心到頂部均勻布置4個T型熱電偶，用于測量不同徑向位置處的溫度變化。同時，為獲得更多的溫度數(shù)據(jù)，在擾流器上均勻布置6個T型熱電偶，以便后期進行數(shù)據(jù)分析。在可視化有機玻璃管處合理布置壓力傳感器、差壓傳感器。為了直接獲取低溫液氮從噴嘴流出、進入泡沫原液主流區(qū)以及與擾流器撞擊過程中的氣液相分布、液氮射流形狀、液氮破碎成為液滴、液氮液滴汽化過程的詳細圖像，利用攝像機進行拍攝，直接獲取相關(guān)圖像信息。

圖2 溫度測點Fig. 2 Temperature measuring points

2 氣液摻混機理

液氮射流至水中發(fā)生快速相變和湍流混合流動，根據(jù)實驗結(jié)果，結(jié)合傳熱學(xué)及流體力學(xué)等相關(guān)理論，將液氮射流破碎及流動過程分為6個區(qū)域，形成了水平擾流管道中低溫液體與水摻混流型圖，如圖3所示。

圖3 水平擾流管道中液氮與水摻混流型圖Fig. 3 Schematic diagram of foam flow structure in horizontal spoiler pipe

1.低溫液柱區(qū)：管路經(jīng)預(yù)冷一段時間后噴射出連續(xù)液氮，射流在蒸汽膜的包裹下形成液體核心，在很短的距離內(nèi)，形成低溫液柱。由于液氮與泡沫混合液之間存在較大溫差，低溫液柱表面會發(fā)生膜態(tài)沸騰。在不斷演化過程中，液氮滴被快速加熱，達到過熱極限，引起局部劇烈的沸騰相變，湍流加強。高速泡沫混合液擾動、卷帶作用導(dǎo)致包裹的蒸汽膜從不同點處破裂，這可能是液氮射流-蒸汽膜-水界面的湍流不穩(wěn)定造成的。該快速相變過程會在較短的時間內(nèi)發(fā)生，熱作用(局部沸騰引起擾動)和機械作用會進一步使“低溫液柱”撕裂破碎，引發(fā)核態(tài)沸騰。

2.向上循環(huán)翻滾區(qū)：液氮撞擊到擾流器時，射流破碎加劇，增強了與泡沫混合液的熱交換。液氮快速相變產(chǎn)生的氮氣泡在撞擊擾流器后向上循環(huán)翻滾，并帶動未撞擊的氮氣泡回流，同時，與主流流體逆向流動，大塊的氮氣團不斷產(chǎn)生、上升、翻滾、破裂，中間夾雜著細小的氮氣泡。液氮的汽化膨脹以及氮氣與水的換熱等使主流流體產(chǎn)生劇烈的擾動，湍流加強，氣泡的活動性也加強，氣液摻混較好。

3.滯留區(qū)：在液氮噴管的上方存在明顯的滯留區(qū)，此處溫度較低。氮氣-水兩相流實驗時甚至出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，這可能是較冷氮氣泡“滯留”造成的。

4.泡沫與泡沫混合液混合區(qū)：液氮快速相變引起的湍流擾動劇烈，大量泡沫進行紊亂的不規(guī)則運動，擾流器處存在混合區(qū)，氣液摻混較均勻。

5.致密泡沫區(qū)：產(chǎn)生的泡沫向下游流動過程中，在鄰近擾流器處形成漩渦，增強泡沫混合液發(fā)泡。

6.泡沫混合液區(qū)：由于泡沫密度較小，浮力占主導(dǎo)作用，在近壁面處存在較薄液膜，泡沫混合液向下游流動過程中持續(xù)發(fā)泡。

泡沫發(fā)生區(qū)域流場軸向沿程可分為以下四個區(qū)域：噴嘴和擾流器錐體區(qū)域、擾流器環(huán)空區(qū)域、擾流器后方鄰近區(qū)域以及遠離擾流器下游區(qū)域。液氮射流和破碎現(xiàn)象多發(fā)生在噴嘴和擾流器錐體區(qū)域。氮氣-水兩相流實驗時，遠離擾流器下游區(qū)域呈典型的氣液波狀分層流：上層是連續(xù)的氣相區(qū)(致密氣泡區(qū))，此時氮氣溫度較低，存在結(jié)霧現(xiàn)象；下層是主流水，溫度稍高，而滅火泡沫分層化不明顯。

3 滅火泡沫流動特性分析

3.1 流體溫度分布

間距10 mm時，控制水流量和液氮流量不變，加入泡沫原液，進行滅火泡沫實驗。此時利用稱重法計算出泡沫原液流量為1.15 m3/h，液氮流量為0.15 m3/h。加入泡沫原液后溫度(T)明顯回升，在4 min左右達到穩(wěn)定，如圖4(a)所示。各個徑向截面測得的溫度波動較大，氣液翻滾劇烈，大量的氣泡在流動過程中不斷的合并、破碎。在S4截面處，TCS4-1測得的溫度逐漸升高到0 ℃以上，此時管壁處結(jié)冰融化，而TCS4-1和TCS4-2測得的是氣液界面溫度，TCS4-3位于軸線處，溫度較高，測得的是水溫。這說明在流動過程中，浮升力占主要作用，氣泡浮升至近壁面處，溫度較低。但泡沫原液的加入使得液氮汽化后產(chǎn)生的較冷氮氣被泡沫“吸收”，分布比較均勻。

圖4 滅火泡沫實驗各個徑向截面溫度變化(Qw=15 m3/h、QLN2=0.15 m3/h)Fig. 4 Temperature profiles of fire extinguishing foam experiment in each radial section (Qw=15 m3/h、QLN2=0.15 m3/h)

圖5給出了氮氣-水兩相流及滅火泡沫實驗中管道軸線處及近壁面沿程溫度變化。從圖5中可以看出，滅火泡沫實驗中軸線沿程各個測點溫度均高于氮氣-水兩相流，并最終接近水溫，這是由于泡沫原液發(fā)泡后，氣液充分摻混，擾流器前后基本形成均勻的泡沫流。泡沫混合液、液氮射流及其沸騰相變產(chǎn)生的低溫氮氣直接撞擊擾流器，致使微擾流器附近溫度最低。液氮射流破碎成大量液滴，其與泡沫混合液換熱強度高于與水的換熱強度，泡沫發(fā)生區(qū)域內(nèi)大量氮氣產(chǎn)生，氣體膨脹，氣流卷吸、擾動作用較強，氣泡運動劇烈。

圖5 氮氣-水兩相流及滅火泡沫沿程溫度變化(Qw=15 m3/h、QLN2=0.15 m3/h)Fig. 5 Temperature profiles of nitrogen - water two-phase flow and fire-extinguishing foam along the path (Qw=15 m3/h、QLN2=0.15 m3/h)

3.2 沿程壓力分布

圖6給出了氮氣-水兩相流及滅火泡沫實驗中沿程壓力情況。從圖6中可以看出，管路壓力沿程不斷降低，兩者沿程壓降均約為10 kPa，說明液氮射流所產(chǎn)生的壓力較低，發(fā)生器可長期處于安全操作壓力下，但液氮噴嘴處結(jié)冰現(xiàn)象需著重研究。此外，滅火泡沫實驗時各個測點壓力稍高于氮氣-水兩相流，這是由于液氮泡沫摻混較均勻，氣液接觸面積增大，換熱增強，液氮汽化產(chǎn)生氮氣，體積大幅膨脹，其撞擊擾流器后不斷向上循環(huán)翻滾，形成渦流，壓力有所增加。

圖6 沿程壓力變化曲線(Qw=15 m3/h、QLN2=0.15 m3/h)Fig. 6 Pressure profiles along the path(Qw=15 m3/h、QLN2=0.15 m3/h)

3.3 液氮汽化過程圖像分析

表1給出了水量和液氮流量不變，加入泡沫原液后滅火泡沫流動變化的一系列圖像，(a)為擾流器前流體運動情況，(b)為近擾流器下游流體流動情況。從表1可以看出，氣泡夾帶液體翻滾程度加強，在擾流器前后形成明顯的渦流，增強湍流。氮氣-水兩相流實驗過程中，由于氮氣與水密度差較大，沿程浮升力占主導(dǎo)作用，較冷氮氣多集中在管道上部，滯留區(qū)存在輕微的結(jié)冰現(xiàn)象，附著在管壁上，同時，在沿程演化過程中，氮氣-水兩相流出現(xiàn)了分層流，擾流器下游氣泡逐漸脫離水面，形成單相氮氣區(qū)和連續(xù)水區(qū)，如表1(b)所示。然而，對于滅火泡沫，液氮在巨大的溫差作用下產(chǎn)生大量氮氣，供氣充足，其能夠與泡沫混合液充分發(fā)泡，撞擊擾流器后循環(huán)向上翻滾。泡沫粘度大，直徑小，混合均勻，不存在分層現(xiàn)象，泡沫發(fā)生區(qū)域內(nèi)最終形成致密泡沫區(qū)和較薄的泡沫混合液區(qū)。泡沫混合液向下游流動過程中仍然在持續(xù)發(fā)泡，特別地，經(jīng)過突縮后，流體進一步摻混，發(fā)泡效果增強。

表1 液氮流量較大時流體系列流動圖像(Qw=15 m3/h、QLN2=0.15 m3/h)

4 結(jié)論

通過對氮氣-水兩相流和滅火泡沫進行實驗研究，分析流動參數(shù)變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

(1)泡沫發(fā)生區(qū)域軸向沿程可分為四個區(qū)域：噴嘴和擾流器錐體區(qū)域、擾流器環(huán)空區(qū)域、擾流器后方鄰近區(qū)域以及遠離擾流器下游區(qū)域。液氮射流和破碎現(xiàn)象多發(fā)生在噴嘴和擾流器錐體區(qū)域。滅火泡沫流動過程可分為6個區(qū)域：低溫液柱區(qū)、向上循環(huán)翻滾區(qū)、滯留區(qū)、泡沫與泡沫混合液混合區(qū)、致密泡沫區(qū)和泡沫混合液區(qū)。泡沫混合液層較薄，其向下游流動過程中持續(xù)發(fā)泡。

(2)管路沿程壓降較小，泡沫發(fā)生區(qū)域內(nèi)氣液循環(huán)翻滾劇烈，氣泡活動性增強，由于浮力占主導(dǎo)作用，氮氣-水兩相流時流體沿程趨于分層化，且上層存在結(jié)霧現(xiàn)象。但滅火泡沫實驗時，液氮相變汽化產(chǎn)生的氮氣進入泡沫，溫度有所回升，壓力升高。泡沫撞擊擾流器后向上循環(huán)翻滾，擾流器前后氣液摻混效果較好，泡沫粘度較大，不易破碎。

(3)過量的低溫液氮會使流體結(jié)冰，甚至“冰堵”液氮噴嘴，使局部嚴重超壓。因此，合理控制泡沫混合液和液氮流量對于氣液摻混至關(guān)重要。

符號說明

Qw，QLN2——分別為水流量和液氮流量，m3/h

T——流體溫度，℃

p——管道壓力，Pa

t——時間，s