尚祖政 ，張廣文，陳 碩，郎需慶 ，牟小冬 ，崔芃雨

(1.中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104 2.青島諾誠化學(xué)品安全科技有限公司，山東青島 266071 3. 中國石油化工集團有限公司安全監(jiān)管部，北京 100728)

0 前言

石化行業(yè)的火災(zāi)爆炸危險性大、熱輻射強，滅火救援過程中很難靠近滅火，消防泡沫依靠泡沫炮、泡沫槍、消防車等遠距離噴射泡沫[1-3]。但目前現(xiàn)有泡沫炮的射程不一，流量、落點等指標與理論設(shè)計的結(jié)果略有偏差。

為了實現(xiàn)“精確打擊、快速滅火”的目標，已有多位學(xué)者對消防泡沫射流軌跡進行了一系列研究。胡成，等[4]開展了壓縮空氣泡沫射流軌跡的研究；李兆敏，等[5]使用流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件對泡沫流體軸對稱層流淹沒射流進行了數(shù)值計算；候曉靜[6]使用隨機森林模型對泡沫射流射程和水射流射程進行綜合分析，并建立預(yù)測模型。大多研究是通過消防炮噴射的泡沫軌跡模擬研究，在泡沫噴射器流道結(jié)構(gòu)對泡沫軌跡影響方面研究較少。本文從構(gòu)建泡沫炮流道泡沫流動計算模型和噴射測試兩個方面，分析噴射器整流管的長度、噴嘴特征尺寸等條件對泡沫在噴射器流道內(nèi)的壓降特性、速度分布、湍流結(jié)構(gòu)、發(fā)泡倍數(shù)和泡沫射程的影響，確定泡沫噴射器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，為泡沫炮的設(shè)計與應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 泡沫射流模擬計算

泡沫本質(zhì)上是一種非牛頓流體，具有剪切變稀的特性。泡沫流動屬于兩相流，雖然在微觀層次上觀察到氣泡與液體之間存在一定的滑移，但從工程應(yīng)用角度考慮，當(dāng)氣泡大小遠小于流動邊界的幾何尺寸時，可以將泡沫近似看成均相混合物。

1.1 射流管的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，泡沫通過入口進入射流管內(nèi)，射流管前段為直管段的整流管，用于穩(wěn)定泡沫，此時泡沫狀態(tài)較好；中段為收縮管，考慮到提高泡沫的噴射距離，故而要進行縮徑處理，根據(jù)收縮角的角度進行收縮，由于射流管的收縮段的直徑縮小，管內(nèi)泡沫的流速增大，部分泡沫會破裂；射流管后段為噴嘴，泡沫經(jīng)過噴嘴后完成噴射。

圖1 射流管示意

1.2 數(shù)值模擬方程

本文模擬使用Fluent軟件，利用歐拉模型，通過動量方程和連續(xù)性方程，進行壓力和相間互換系數(shù)的耦合來進行計算。

Fluent中的條件設(shè)定為：進入噴射器的泡沫是均勻混合流體，選擇歐拉模型[7]，首相為空氣，次相為泡沫混合液(水)，表面張力20 mN/m；發(fā)泡倍數(shù)為8，混合液的流量固定為10 L/s，收縮角12.5°，進口采用質(zhì)量流量入口；出口邊界采用壓力出口，表壓為0，整流管直徑120 mm，無滑移壁面條件，碳鋼材料的壁面粗糙高度0.05 mm，壁面粗糙常數(shù)0.5。

1.3 計算結(jié)果分析

1.3.1 壓力分布

管段入口壓力根據(jù)設(shè)定的空氣和水的質(zhì)量流量計算得出，數(shù)值近似0.2 MPa。由圖2可以看出泡沫在入口直管段及收縮管壓力下降梯度較小，在進入收縮管后壓力急劇下降，泡沫膨脹，靜壓轉(zhuǎn)化成動壓，泡沫流速增加。泡沫出口流速越大，泡沫射流的射程越遠，越有利于滅火。

圖2 管段壓力分布示意

當(dāng)泡沫流出空氣中，如果臨近出口各點處的流動方向平行度差會導(dǎo)致泡沫柱提前發(fā)散，噴出的泡沫易破裂造成氣液兩相分離；如果臨近出口處各點的流動方向平行度好，能保證噴出的液柱較長時間內(nèi)保持較良好的聚攏狀態(tài)，氣液混合完好。從圖3所示的模擬結(jié)果效果可以看出泡沫經(jīng)過整流管后，泡沫呈聚攏狀態(tài)，方向整流，所以整流管具有對噴出泡沫的聚攏作用。

圖3 射流管內(nèi)泡沫流線示意

由圖3、圖4可知，入口整流管為直管段，管徑保持不變，泡沫的整體流速比較穩(wěn)定，接近勻速運動；當(dāng)泡沫進入收縮管后，收縮管段的前半部分壓力變化不大，所以流速增長緩慢，而收縮管的后半部分壓力下降劇烈，流體靜壓開始迅速向動壓轉(zhuǎn)化，流動速度快速增長，這是因為當(dāng)泡沫通過噴嘴后，泡沫靜壓要迅速降低至大氣壓，此時靜壓迅速轉(zhuǎn)化為動壓，從而獲得較大的出流速度，直至泡沫噴到外界，靜壓完全轉(zhuǎn)換為動壓減為0。由圖4可知靜壓轉(zhuǎn)化為動壓是主要的功能轉(zhuǎn)變過程。

1.3.2 整流管長度對泡沫噴射的影響

通過圖3可以發(fā)現(xiàn)，雖然管內(nèi)是速度較大的湍流，但是流動受管道束縛，流線近乎與管壁平行，可見整流管的作用是進行速度方向的整流。表1中的出口體積流量和混合液流量的比值8∶1，相當(dāng)于發(fā)泡倍數(shù)，隨著整流管長度增加，出口體積流量略微增大；通過控制收縮角12.5°、噴嘴直徑45 mm不變，整流管長度從90 mm(2倍噴嘴直徑)開始增加，隨著整流管長度增加，出口中心軸線速度逐漸增加，當(dāng)整流管長度較短時，隨著增加管段長度，由表1可以看出，速度增益較為明顯。但當(dāng)管段長度達到200 mm(4.4倍噴嘴直徑)之后，出口速度增益降低，且在實際工程應(yīng)用過程中整流管長度不宜過長。因此，整流管長度是噴嘴直徑4倍以上時，可保證出口速度。

表1 不同整流管長度的模擬結(jié)果

1.3.3 噴嘴直徑對泡沫噴射的影響

泡沫在管內(nèi)處于壓縮狀態(tài)，質(zhì)量流量一定的情況下，管徑小，速度大[8]，保持氣液比8∶1，初始壓力0.5 MPa，收縮角為12.5°，整流管長200 mm，管徑為80 mm不變的條件下，模擬噴嘴直徑對泡沫噴射的影響，模擬結(jié)果如表2所示。如圖5所示，噴嘴直徑與出口軸線速度類線性關(guān)系，這一點與不可壓縮流體有較大區(qū)別。在收縮角和整流管長度變化不大的情況下，可以近似用線性關(guān)系推算出流速度的大小，或者插值推算速度大小。

從表2可以看出，噴嘴直徑較細時，出口體積流量變低，出口壓力增大。噴嘴直徑從37 mm增加到61 mm時，出口流量增大約1.4倍，但出口壓力降低6倍，當(dāng)噴嘴直徑從37 mm增大到45 mm時(整流管半徑40 mm)，出口壓力下降幅度較大。

表2 不同噴嘴直徑的模擬結(jié)果

圖5 不同噴嘴直徑與出口中心軸線

1.4 模擬結(jié)果

通過對不同尺寸的整流管長度和噴嘴直徑的壓力、流量等參數(shù)的模擬計算，結(jié)果表明：當(dāng)整流管長度達到整流管直徑的4倍以上時，對泡沫出口流速影響不大；泡沫噴嘴直徑越大，出口壓力越小、流量越大，出口壓力決定了噴射距離，但當(dāng)泡沫噴嘴直徑大于整流管半徑時，出口壓力下降嚴重，為了保證射程，噴嘴直徑建議小于整流管直徑的0.5倍。

2 實際測試

現(xiàn)制作8支不同尺寸的泡沫噴射器(直管段直徑均為120 mm)如表3所示，進行發(fā)泡倍數(shù)和射程的實際測試。

表3 不同尺寸泡沫噴射器參數(shù) mm

2.1 實驗條件

本實驗使用的泡沫是水成膜泡沫混合液，通過氣液比為8∶1的壓縮空氣發(fā)泡方式產(chǎn)生泡沫，具體流程是首先將3%型泡沫原液通過比例混合裝置配置成泡沫混合液，再由電動消防泵將泡沫混合液經(jīng)氣液比為8∶1的泡沫發(fā)生器發(fā)泡后產(chǎn)生泡沫，泡沫再通過消防水帶輸送到泡沫噴射器入口，電動消防泵壓力約為0.6～0.7 MPa，泡沫噴射器入口安裝流量計和泡沫發(fā)生器，泡沫通過泡沫噴射器噴出，泡沫噴射器安裝壓力傳感器，如圖6所示，泡沫噴射器噴射角為仰角45°，經(jīng)測試出口壓力為0.2 MPa。噴射出的泡沫按照GB 15308—2006《泡沫滅火劑》中的發(fā)泡倍數(shù)的測試方法測試。

圖6 泡沫噴射實驗現(xiàn)場

2.2 實驗結(jié)果分析

45°仰角下泡沫噴射器噴射結(jié)果如表4所示。

表4 各個泡沫噴射器噴射結(jié)果

通過表4的試驗結(jié)果可以看出，噴嘴直徑37 mm的1#、2#泡沫噴射器出口流量均是32.5 m3/h；噴嘴直徑45 mm的3#、4#、5#泡沫噴射器出口流量均是32.8 m3/h，這說明流量大小和噴嘴直徑有關(guān)，與整流管長度無關(guān)。

從1#和2#泡沫噴射器，3#、4#、5#泡沫噴射器，6#、7#、8#泡沫噴射器的3組對比發(fā)泡倍數(shù)測試結(jié)果可以看出，噴嘴尺寸相同，整流管長越長，發(fā)泡倍數(shù)略高，泡沫效果越好。原因是整流管長度增加，泡沫射流的邊界層流速變化幅度小，泡沫層受破壞程度小，泡沫完整性好，發(fā)泡倍數(shù)越高，可見整流管長度增大有利于管內(nèi)泡沫射流的穩(wěn)定。

從2#、3#、6#泡沫噴射器，5#和8#泡沫噴射器的發(fā)泡倍數(shù)測結(jié)果可以看出，整流管長相同，噴嘴直徑越大，發(fā)泡倍數(shù)越高，泡沫效果越好，與模擬計算的結(jié)果一致。這是因為在泡沫流量相同的情況下，噴嘴直徑越大，管內(nèi)壓力轉(zhuǎn)換過程會變慢，泡沫在噴射管內(nèi)體積膨脹更充分，受管壁擠壓破壞的程度小。

通過表4的結(jié)果可以看出，1#、2#噴嘴直徑37 mm的泡沫噴射器噴射的泡沫距離達到27 m以上，距離最遠；3#、4#、5#泡沫噴射器噴射的泡沫距離25 m左右；6#、7#、8#泡沫噴射器的泡沫距離在22.5～23.5 m，距離最短。同時2#泡沫噴射器的噴射距離略高于1#泡沫噴射器的噴射距離；5#泡沫噴射器噴射的泡沫距離略高于3#、4#泡沫噴射器；8#泡沫噴射器噴射的泡沫距離略高于6#、7#泡沫噴射器。通過以上結(jié)果可以看出，噴嘴尺寸相同，整流長度越長，射程會有略微的提高，其對提升射程的作用有限；但整流長度相同，噴嘴尺寸減小，射程明顯提高。原因是噴嘴尺寸變小后，泡沫射流在噴射口內(nèi)部流速增大，泡沫射流的動能增加，提升了泡沫射程。

從噴射測試結(jié)果看，泡沫噴射狀態(tài)結(jié)果驗證了模擬結(jié)果的有效性，在一定程度上，模擬結(jié)果直觀反映了泡沫狀態(tài)，其規(guī)律可用于預(yù)測泡沫狀態(tài)，用于優(yōu)選泡沫噴射器結(jié)構(gòu)。可見，壓縮空氣泡沫的噴射狀態(tài)不僅考慮泡沫流量，還要考慮泡沫在噴射管內(nèi)的發(fā)泡情況變化，噴射器的流道結(jié)構(gòu)直接影響泡沫噴射狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文使用Fluent軟件，依托于歐拉模型，對泡沫流體在噴射器內(nèi)的噴射進行了研究，分別討論了在流量、發(fā)泡倍數(shù)不變的情況下，整流管長度、噴嘴直徑對管內(nèi)流動狀態(tài)、泡沫噴射效果的影響。參考模擬結(jié)果制作8支整流管長度、噴嘴尺寸不同的泡沫噴射器，分析實測實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果得到以下結(jié)論。

a) 泡沫的流量受噴嘴直徑影響，噴嘴直徑越大，泡沫流量越大，整流管長度對泡沫的流量影響甚微。

b) 泡沫的發(fā)泡狀態(tài)受整流管長度、噴嘴直徑影響，整流管越長、噴嘴直徑越大，泡沫發(fā)泡效果越好，但不能為了追求發(fā)泡效果，一味增大噴嘴直徑，當(dāng)噴嘴直徑大于整流管直徑0.5倍以上時，泡沫流速大幅降低。

c) 泡沫射程受噴嘴直徑影響較大，噴嘴直徑越小，泡沫射程越短；泡沫射程受整流管長度影響較小，整流管的長度增加，泡沫射程略微提高。

基于泡沫噴射管的整流管長度和噴嘴直徑兩個參數(shù)，通過模擬研究和實體測試，得到泡沫噴射受整流管長度和噴嘴直徑的影響結(jié)果，但消防泡沫噴射裝置產(chǎn)品的開發(fā)，不只是單單考慮到整理管和泡沫噴嘴兩個變量，在以后的研究中需要結(jié)合應(yīng)用場景進一步豐富所涉及的實驗參數(shù)、條件。