劉金革，陳宇曦，韓 焦，石祥建，李建鴻

(1. 常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司 江蘇 常州 213025；2. 南京南瑞繼保電氣有限公司 江蘇 南京 211102)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，消防安全備受關(guān)注，消防產(chǎn)品和滅火方式也逐漸精細(xì)化。壓縮空氣泡沫滅火技術(shù)是一種新型的滅火技術(shù)，與傳統(tǒng)負(fù)壓式泡沫滅火技術(shù)相比，其通過往泡沫混合液中注入壓縮空氣，產(chǎn)生的泡沫具有結(jié)構(gòu)更細(xì)膩均勻、穩(wěn)定性更高等特點(diǎn)，且壓縮空氣泡沫具有低摩擦阻力、發(fā)泡倍數(shù)可控的特點(diǎn)，可根據(jù)不同的保護(hù)對象調(diào)整適宜的發(fā)泡倍數(shù)和泡沫狀態(tài)，不僅適用于森林防火和高層建筑滅火等A類火災(zāi)，而且對油罐、變壓器等B類火災(zāi)也有很好的適用性。

壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)由發(fā)生裝置、釋放裝置、連接管道等組成，按結(jié)構(gòu)形式可分為移動式、固定式和半固定式3種型式，其中固定式的發(fā)生裝置與滅火對象位置相對固定，且與釋放裝置之間需要通過很長的管道連接。因此，研究壓縮空氣泡沫在管道中的壓力降可有效指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型并保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

壓縮空氣泡沫在管道中是一種可壓縮的非牛頓流體，涉及氣液兩相流。一般地，兩相流相對于單相流要復(fù)雜得多，流動壓力降也比相同質(zhì)量流速的單相流大很多，因?yàn)閱蜗嗔鬟^程的能耗主要由流體與管壁摩擦造成，而氣液兩相流除了與管壁摩擦產(chǎn)生能耗外，氣液兩相間也存在摩擦損耗，所以存在較大的分析難度[1-3]。陳 旸 等[4]試驗(yàn)研究了泡沫輸送流量、氣液比等對泡沫輸送管路壓力變化的影響規(guī)律。吳東垠[5]研究了氣液兩相流流經(jīng)突縮再突擴(kuò)管道的壓力降，得到管道壓力降與兩相流干度和氣體流量有關(guān)。鄭成[6]考慮了氣液表觀流速、空隙率隨管子高度變化并推導(dǎo)出垂直管內(nèi)氣液兩相流的總壓力降表達(dá)式。Blauer 等[7]根據(jù)管內(nèi)泡沫層流、湍流和過渡流的流動損失建立了注入壓力和摩擦壓力的計(jì)算方法。林全生等[8]通過數(shù)值擬合和試驗(yàn)研究對比壓縮空氣A類泡沫在不同規(guī)格水帶中的沿程阻力損失，提出了適用于壓縮空氣A類泡沫的流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法，并通過擬合得到沿程阻力系數(shù)和顯性表達(dá)式。王勇凱等[9]運(yùn)用Fluent數(shù)值模擬軟件對不同發(fā)泡倍數(shù)的泡沫在水平管路中的層流流動進(jìn)行模擬，并搭建了小型試驗(yàn)平臺以驗(yàn)證壓降模擬結(jié)果的可靠性。

本文基于均相法推導(dǎo)了壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降并試驗(yàn)研究了其隨管徑、混合比、混合液流量和氣液比的變化規(guī)律。

1 理論分析

氣液兩相流的流動情況復(fù)雜，在水平管道中可分為氣泡流、活塞流、層流、波狀流、柱狀流、環(huán)狀流和分散流7種流型，在垂直管道中可分為氣泡流、柱狀流、泡沫流、環(huán)狀流和霧狀流5種流型。計(jì)算方法分為均相法和杜克勒法，其中均相法是假定氣液兩相流在相同的速度下流動，適用于分散流；杜克勒法則需要考慮氣液兩相流在管內(nèi)以不同速度流動的影響。壓縮空氣泡沫是將氣體分散在液相中，類似于一種氣體體積分?jǐn)?shù)較大、氣泡更細(xì)小和數(shù)量多的分散流，因此，可采用均相法計(jì)算其在管道中流動的壓力降，總壓力降計(jì)算公式為：

式中，PΔ 為總壓力降，MPa；fPΔ 為直管段摩擦壓力降，MPa；kPΔ 為局部壓力降，MPa；HPΔ 為上升管靜壓力降，MPa。

直管段摩擦壓力降計(jì)算公式為：

式中，Hλ為管壁的摩擦系數(shù)；Hρ為壓縮空氣泡沫流平均密度，kg/m3；Hu為壓縮空氣泡沫平均流速，m/s；L為直管段長度，m；D為管道內(nèi)直徑，m。

局部壓力降計(jì)算公式為：

式中，eL為管件的當(dāng)量長度，m。

氣液兩相流流速計(jì)算公式為：

式中，TW為壓縮空氣泡沫總的質(zhì)量流量，kg/h。

又由流體力學(xué)可知，摩擦阻力系數(shù)通常用布拉修斯公式計(jì)算：

式中，G為壓縮空氣泡沫總的質(zhì)量流速，2kg/(m s)? ；μ為壓縮空氣泡沫的平均黏度，Pas?。

故壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降計(jì)算公式為：

從公式(6)可以看出壓縮空氣泡沫在管道中流動壓力降與管道直徑D的4.75次方成反比，與管道和管件的當(dāng)量長度成正比。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料

自主研發(fā)的壓縮空氣泡沫滅火裝置包括消防水泵、比例混合裝置、螺桿式空壓機(jī)和閥門儀表等，配置電磁流量計(jì)測量消防水流量和泡沫液流量，配置渦街流量計(jì)測量空氣流量，配置壓力變送器測量裝置出口壓力。為保證泡沫混合比可調(diào)，采用高混合比精度的計(jì)量注入式泡沫比例混合器，混合比從0.5%～6%連續(xù)可調(diào)。將壓縮空氣泡沫滅火裝置安裝在試驗(yàn)平臺上，采用泡沫炮作為壓縮空氣泡沫釋放裝置，壓縮空氣泡沫滅火裝置出口與泡沫炮之間依次連接DN150、DN125和DN100的不銹鋼管道，長度各20m，在變徑處設(shè)置直讀壓力表，用于測量不同管徑下壓縮空氣泡沫的壓力降，如圖1所示。泡沫原液為3%型的水成膜泡沫滅火劑。

圖1 壓縮空氣泡沫試驗(yàn)平臺簡圖Fig.1 Schematic diagram of compressed air foam test platform

試驗(yàn)中讀取壓力表P1、P2、P3、P4，將P2與P1、P3與P2、P4與P3的差值分別作為壓縮空氣泡沫在DN150、DN125和DN100管道中的流動壓力降。

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 不同管徑下壓縮空氣泡沫的流動壓力降

設(shè)置壓縮空氣泡沫滅火裝置參數(shù)為泡沫混合液流量40L/s，混合比3%，氣液比7∶1，測量壓縮空氣泡沫在DN150、DN125和DN100管道中的流動壓力降并與公式6計(jì)算結(jié)果對比，其變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 壓縮空氣泡沫的流動壓力降隨管徑的變化規(guī)律Fig.2 Variation of flow pressure drop of compressed air foam with pipe diameter

由圖2可以看出，在壓縮空氣泡沫滅火裝置參數(shù)一定條件下，壓縮空氣泡沫流動壓力降隨管徑的增大迅速減小，DN100管道的壓力降約為DN150管道的10倍，DN125管道的壓力降約為DN150的2倍，說明壓縮空氣泡沫流動壓力降受管徑的影響非常大。試驗(yàn)值與計(jì)算值相近且變化趨勢相同，說明均相法適用于計(jì)算壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降。各種管徑下計(jì)算值均比試驗(yàn)值小，這是由于計(jì)算值沒有考慮到管道變徑對壓力降的影響。

2.2.2 不同混合比下壓縮空氣泡沫的流動壓力降

設(shè)置壓縮空氣泡沫滅火裝置泡沫混合液流量40L/s，氣液比7∶1，調(diào)節(jié)泡沫混合比為1%、2%、3%、4%，分別測得壓縮空氣泡沫在不同混合比下的壓力降，其變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 壓縮空氣泡沫的流動壓力降隨混合比的變化規(guī)律Fig.3 Variation of flow pressure drop of compressed air foam with mixing ratio

由圖3可以看出，不同混合比下壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降基本相同。這是因?yàn)榕菽旌弦褐信菽赫急群苄?，對壓縮空氣泡沫的黏度、密度等物理性能的影響可以忽略，進(jìn)一步說明壓縮空氣泡沫在管道中流動壓力降與發(fā)泡效果無關(guān)，可以采用均相法進(jìn)行估算。

2.2.3 不同流量下壓縮空氣泡沫的流動壓力降

設(shè)置壓縮空氣泡沫滅火裝置混合比3%，氣液比為7∶1，調(diào)節(jié)泡沫混合液流量為33.3、36.7、40、43.3L/s，分別測得壓縮空氣泡沫在不同混合液流量下的壓力降，其變化規(guī)律如圖4所示。可以看出隨著泡沫混合液流量增大，壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降呈線性增大，管徑越小其增大的趨勢越明顯。泡沫混合液流量的增大引起泡沫流速的增大，進(jìn)而造成壓縮空氣泡沫在管道中的摩擦壓力降增大。

圖4 壓縮空氣泡沫的流動壓力降隨混合液流量的變化規(guī)律Fig.4 Variation of flow pressure drop of compressed air foam with flow rate of mixed liquid

2.2.4 不同氣液比下壓縮空氣泡沫的流動壓力降

設(shè)置壓縮空氣泡沫滅火裝置泡沫混合液流量40L/s，混合比3%，調(diào)節(jié)氣液比為8∶1、7∶1、6∶1、5∶1，分別測得壓縮空氣泡沫在不同氣液比下的壓力降，其變化規(guī)律如圖5所示。可以看出隨著氣液比增大，壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降呈線性增

圖5 壓縮空氣泡沫的流動壓力降隨氣液比的變化規(guī)律Fig.5 Variation of flow pressure drop of compressed air foam with gas-liquid ratio

大，管徑越小其增大的趨勢越明顯。氣液比的增大引起泡沫流速的增加，進(jìn)而造成壓縮空氣泡沫在管道中的摩擦壓力降增大。

3 結(jié) 論

基于均相法推導(dǎo)壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降并試驗(yàn)研究了其隨管徑、混合比、混合液流量和氣液比的變化規(guī)律。

①基于均相法推導(dǎo)出的計(jì)算公式可用于壓縮空氣泡沫在管道中的壓力降的估算。

②管徑是壓縮空氣泡沫的流量壓力降的重要影響因素，壓縮空氣泡沫的流動壓力降隨管徑的增大而迅速減小。

③不同混合比下壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降基本相同，說明壓縮空氣泡沫在管道中流動壓力降與發(fā)泡效果無關(guān)。

④隨著泡沫混合液流量或氣液比的增大，壓縮空氣泡沫在管道中的流動壓力降呈線性增大，管徑越小其變化趨勢越明顯。