宋 雙 林

(中煤科工集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

0 引 言

礦井采空區(qū)的自燃火災(zāi)是煤礦井下主要災(zāi)害之一，嚴(yán)重阻礙著煤炭的安全生產(chǎn)[1-4]。對于井下空間而言，現(xiàn)有煤自燃防滅火技術(shù)主要包括灌漿[5]、注氮氣[6]、注膠體[7-8]、噴灑阻化劑[9-10]、固化泡沫堵漏[11-12]等。其中，三相泡沫技術(shù)具有發(fā)泡倍數(shù)高、產(chǎn)生量大、擴散性好、阻燃效率高等優(yōu)勢，是防治礦井火災(zāi)的有效手段之一，并早在2008年就已在全國范圍內(nèi)得到了良好的應(yīng)用推廣[13]。

對于三相泡沫而言，發(fā)泡器結(jié)構(gòu)直接影響其泡沫生成質(zhì)量和發(fā)泡倍數(shù)，進而影響到實際工程的防滅火效果?，F(xiàn)階段，市面常見的用于制備泡沫的發(fā)泡器主要有渦輪式、螺旋式、同心管式、擋板式、孔隙式和自吸空氣旋流式等形式，并成功應(yīng)用于消防、泡沫驅(qū)、泡沫浮選和除塵等領(lǐng)域[14]。然而，上述各類發(fā)泡器多用于生成兩相泡沫，但是三相泡沫發(fā)泡器與傳統(tǒng)兩相發(fā)泡器在引入氣源和用途等方面具有明顯區(qū)別[15-16]。以自吸空氣式發(fā)泡器為例，兩相發(fā)泡器通過壓力水的射流卷吸效應(yīng)吸入環(huán)境空氣與發(fā)泡劑，而三相發(fā)泡器則是在發(fā)泡器前端先令泥漿與發(fā)泡劑混合，在發(fā)泡過程中通過射流卷吸效應(yīng)吸入不可燃的氣相介質(zhì)，以此實現(xiàn)三相泡沫的物理發(fā)泡。此外，在現(xiàn)階段研究中，對于防滅火用三相泡沫的專門研究報道主要關(guān)注于三相泡沫的發(fā)泡機理和制備配方[13,17-19]，對發(fā)泡器的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)等方面的優(yōu)化研究相對較小。

因此，為了更為高效、安全地制備防滅火用三相阻燃泡沫，有必要針對三相泡沫的物理發(fā)泡特性進行深入分析，并據(jù)此對三相泡沫發(fā)生器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析。

1 三相泡沫及其發(fā)泡器的發(fā)泡原理

在三相泡沫發(fā)泡器中，含有固體小顆粒的泥漿與引射來的氣泡相互接觸。在射流沖擊、機械攪拌等外力作用下，顆粒與氣泡間的液膜被沖破，細(xì)小的固體顆粒黏附在氣泡上，從而形成三相泡沫。在此過程中，能否形成三相泡沫的難點在于固體顆粒是否可以黏附在氣泡上，而從熱力學(xué)觀點看，顆粒能否在氣泡上黏附的關(guān)鍵在于能否將兩者間的水化層破裂。

通過三相泡沫預(yù)攪拌試驗發(fā)現(xiàn)[20]，在低速攪拌工況下，添加發(fā)泡劑后的漿液表面出現(xiàn)大量白色兩相泡沫，但固體顆粒未能黏附在氣泡上；而在高速攪拌工況下，由于激烈的攪拌和混合，越來越多的固體顆粒開始黏附在氣泡表面，從而形成三相泡沫。也就是說，通過施加機械攪拌等外力作用，有助于破壞固體顆粒與氣泡間的水化層。進一步地，考慮到機械攪拌發(fā)泡裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修不便，且漿液中的固體顆粒會加速葉片磨損，故而嘗試研制自吸式三相發(fā)泡器來替代機械發(fā)泡裝置。自吸式三相發(fā)泡器本身不需要任何動力裝置，是根據(jù)文丘里管原理，依靠動靜壓轉(zhuǎn)換和總壓力守恒原則，通過壓差驅(qū)動來實現(xiàn)外部流體的射流作用，從而達到附加外力、破壞相間水化層的作用，實現(xiàn)三相泡沫的制備，其發(fā)泡器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自吸式泡沫發(fā)泡器構(gòu)造示意Fig.1 Schematic diagram of self-priming foam bubbler

由圖1可以看出，自吸式三相泡沫發(fā)泡裝置主要包含引流段、預(yù)混段、文丘里段、混合段。其發(fā)泡原理是：高速流入的漿液通過自然壓差作用在引流段從外部引入發(fā)泡劑，并快速通過預(yù)混段，實現(xiàn)漿液與發(fā)泡劑的混合；然后，混合后但尚未形成泡沫的混合發(fā)泡液通過文丘里管實現(xiàn)2次加速，并產(chǎn)生較大的負(fù)壓；由于壓差作用，阻燃?xì)怏w以較大的速度被引射入發(fā)泡器內(nèi)，此時混合漿液和阻燃?xì)怏w均處于射流狀態(tài)；隨后，漿液和氣體撞擊到集流器的旋轉(zhuǎn)斜面上并產(chǎn)生劇烈的湍流渦旋，此時動能的快速衰減產(chǎn)生了大量的過剩能量，促使氣、液、固三相在此處被充分?jǐn)嚢韬突旌?，形成具有三相介質(zhì)的泡沫群；最后，高速的泡沫漿液又會沖擊混合段的旋轉(zhuǎn)葉輪并帶動其高速旋轉(zhuǎn)，由此對泡沫漿液進行2次攪拌，使得泡沫再次被機械切割、擠壓分散，最終令形成的泡沫更加細(xì)膩、固體顆粒在三相泡沫中分布更加均勻，由此進一步增強了三相泡沫的穩(wěn)定性。

2 發(fā)泡器數(shù)值仿真與優(yōu)化設(shè)計

2.1 泡沫發(fā)泡器的設(shè)計依據(jù)

由前文論述可知，文丘里段是自吸式三相泡沫發(fā)泡器最為核心的結(jié)構(gòu)部件之一，其結(jié)構(gòu)的合理與否直接決定著泡沫漿液與阻燃?xì)怏w的混合程度，從而影響到三相泡沫的發(fā)泡效果。

發(fā)泡器文丘里段的主體是文丘里管，由收縮管、喉部和擴張段組成。混合漿液在經(jīng)過收縮管時，由于截面積減小而流速不斷增大，當(dāng)漿液到達喉部時速度達到最大。根據(jù)伯努利方程，對同一流線而言，當(dāng)速度達到最大時靜壓力則達到最小，見式(1)。據(jù)此，若在靜壓最小的管壁部位進行開孔，此處的文丘里管內(nèi)外部壓差最大，具有最強的自然壓差驅(qū)動力，即混合漿液射流表面的粘滯及卷吸作用最強。此時，管外惰性氣體會以更快的射流速度進入文丘里段，達到管外惰性氣體與管內(nèi)混合漿液的最優(yōu)混合效果，更利于三相泡沫的產(chǎn)生。

(1)

式中，下標(biāo)1為文丘里管入口位置；下標(biāo)2為文丘里管喉部位置；p1和p2分別為文丘里管在入口處和喉部的壓力；h1和h2分別為文丘里管在入口處和喉部的高度；α1和α2分別為文丘里管在入口處和喉部的動能修正系數(shù)；v1和v2分別為文丘里管在入口處和喉部的速度。

取文丘里管軸心位置進行分析，動能修正系數(shù)可認(rèn)為是定值，即α=α1=α2。此時，考慮入口斷面和速度最高處的喉部位置，聯(lián)立式(1)和流體連續(xù)性方程(式(2))，即可得到文丘里管內(nèi)部截面平均壓差的最大值，見式(3)。

(2)

(3)

式中，d為所在位置處的管道直徑，即d1為發(fā)泡器筒體直徑，d2為喉部直徑；Δp1-2為文丘里管入口處與喉部的壓力差。

由式(3)可以看出，影響文丘里管最大可用壓差的因素包含漿液物性、流量，以及筒體與喉部的管徑比，而與發(fā)泡器結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)主要為管徑比。一般來說，筒體直徑是預(yù)先確定好的，此時喉部直徑的大小與擴散角度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。換言之，隨著喉部直徑的減小，筒體與喉部的管徑比增大，文丘里段的收縮和擴散角度逐漸增加。因此，后文研究中對于發(fā)泡器的優(yōu)化設(shè)計，主要針對文丘里段的擴散角度進行分析研究，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)和開孔位置。

2.2 發(fā)泡器的流體動力學(xué)仿真與驗證

為了確定發(fā)泡器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)借助ANSYS FLUENT軟件，利用CFD模擬方法來直觀分析三相泡沫發(fā)生器內(nèi)部的壓力和速度等分布規(guī)律，簡化物理模型如圖2所示。出入口直徑均為100 mm，喉部直徑為20 mm，混合漿體的入口流量為20 m3/h。假定漿液密度為1 800 kg/m3，動力黏度為1.809×10-3Pa·s，則由式(4)可得管道入口雷諾數(shù)Re為70 647，屬于湍流流動。此時，文丘里管入口處的湍流強度I可由式(5)計算獲得，數(shù)值為3.96%。

圖2 發(fā)泡器文丘里段簡化示意Fig.2 Schematic diagram of venturi segment in bubbler

(4)

I=0.16Re-1/8

(5)

式中，μ為混合漿液的動力黏度，Pa·s；Re為雷諾數(shù)，用于判斷流體形態(tài)是層流還是湍流。

圖3給出了擴散角為30°時的壓力、速度和湍流強度分布規(guī)律。由圖3可知，當(dāng)混合漿液流過文丘里管時，截面平均速度和湍流強度沿著流動方向均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在喉部附近達到極值，而管內(nèi)的靜壓分布規(guī)律與之剛好相反，這與前文分析的結(jié)果是一致的。通過云圖結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)壓區(qū)基本集中在喉部附近，且最大負(fù)壓區(qū)出現(xiàn)在喉部折點附近，因而喉部區(qū)域最適于引射阻燃?xì)怏w。此外，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最小壓力和較大湍流強度區(qū)域均靠近壁面位置，在此處開口有利于達到引射氮氣的目的。故而在工況下采用最為簡易和可靠的壁面直接開孔結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)良好的管外氣流引射和氣液固三相混合效果。

圖3 擴散角為30°時管道軸向中心截面的模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of axial central section of pipeline with diffusion angle of 30°

為了驗證本文數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與實驗測試數(shù)據(jù)[21]進行了對比分析。試驗采用的文丘里管出入口直徑為1.4 cm，喉部直徑為0.8 cm，擴散角為15°，其在不同流量下的實測結(jié)果與對應(yīng)驗證模擬結(jié)果的對比如圖4所示。由圖4可知，模擬與實驗結(jié)果具有很好的一致性，其平均誤差僅為3.6%，且最大誤差不超過10%。由此說明所得到的模擬結(jié)果是可信的。

圖4 文丘里管數(shù)值與實驗結(jié)果對比Fig.4 Comparison of numerical results and experimental data in Venturi tube

2.3 發(fā)泡器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析

本節(jié)研究不同擴散角(25°～70°)對文丘里管內(nèi)部物理場特征的分布規(guī)律，并據(jù)此完成了發(fā)泡器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析。圖5—圖7分別給出了文丘里管內(nèi)部壓力、速度和湍流強度隨擴散角度的變化規(guī)律。

圖5 文丘里管內(nèi)靜壓隨擴散角的變化規(guī)律Fig.5 Variation of static pressure in venturi tube with diffusion angle

由圖5可知，最大壓力值隨擴散角的增大呈增大趨勢，最小壓力則呈現(xiàn)出拋物線規(guī)律，這與產(chǎn)生渦旋的條件有關(guān)。對于負(fù)壓區(qū)而言，當(dāng)擴散角度小于45°時，管內(nèi)最小壓力隨擴散角度的增加而減??；當(dāng)擴散角度大于55°時，最小壓力隨擴散角度的增加而增加；當(dāng)擴散角度在45°～55°內(nèi)，最小壓力達到最低并基本維持不變。由此可知，三相泡沫發(fā)生器文丘里段的擴散角度在45°～55°時可獲得最小壓力值(即具有最大的負(fù)壓值)，此時最有利于引入外部氣體。

由圖6可知，文丘里管內(nèi)部的最大速度隨擴散角度的增大而不斷增加，但其增加的比例是不斷降低的。當(dāng)擴散角度小于55°時，其最大速度的增加比例近似線性下降，而當(dāng)擴散角度大于55°時，速度增加比例穩(wěn)定在一個相對較低的范圍內(nèi)，即擴散角每增加1°，最大速度僅增加0.02 m/s。由此可知，當(dāng)擴散角度大于55°時，雖然增加擴散角度仍可提升裝置內(nèi)的最大速度，但其提升效果十分微弱。

圖6 文丘里管內(nèi)最大速度隨擴散角的變化規(guī)律Fig.6 Variation of maximum velocity in venturi tube with diffusion angle

流體的湍流強度直接關(guān)系著三相泡沫發(fā)生裝置在引入阻燃?xì)怏w后的三相混合效果，湍動程度越大，流體的混合越好，傳熱速率越快。由圖7可知，當(dāng)擴散角小于30°時，擴散角對最大湍流強度的影響可忽略；當(dāng)擴散角在30°～50°時，增加擴散角會顯著提高湍流強度；當(dāng)擴散角度大于50°時，湍流強度隨擴散角度的增加而呈近似線性地平穩(wěn)上升。由此可知，為了保證較好的湍流混合效果，擴散角應(yīng)大于50°。

圖7 文丘里管內(nèi)最大湍流強度隨擴散角的變化規(guī)律Fig.7 Variation of maximum turbulence intensity in venturi tube with diffusion angle

綜上所述，維持管內(nèi)最大負(fù)壓值需保證擴散角在45°～55°，提供管內(nèi)最高速度需保證擴散角大于55°，產(chǎn)生管內(nèi)最大湍流強度需保證擴散角大于50°。通過分析上述3者的綜合影響，確定出自吸式三相泡沫發(fā)生器的最優(yōu)擴散角度應(yīng)為55°。同時，管外氣流的引射位置應(yīng)結(jié)合實際情況，優(yōu)先選擇在喉部附近的壁面處進行開孔處理。

3 結(jié) 論

1)自吸式泡沫發(fā)生器無需外界動力，借助文丘里原理在發(fā)泡器喉部營造出負(fù)壓區(qū)，并通過在負(fù)壓區(qū)壁面開孔，利用自然壓差將阻燃?xì)怏w引射至管路內(nèi)，實現(xiàn)氣體與漿液的充分混合。

2)當(dāng)混合漿液流經(jīng)文丘里管時，速度和湍流強度沿著流動方向均呈先增后減的趨勢，并在喉部附近達到極值。管內(nèi)負(fù)壓區(qū)分布在喉部，且最大負(fù)壓靠近管道壁面，在喉部管壁處開孔來引射阻燃?xì)怏w有利于三相泡沫的生成。

3)隨擴散角度的增加，管內(nèi)最大負(fù)壓呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律，而最高流速和湍流強度則呈現(xiàn)出先快速增加、后緩慢上升的趨勢。經(jīng)綜合分析，當(dāng)擴散角度為55°時，最利于生成三相泡沫。