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(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

引言

煤礦火災(zāi)是煤礦安全生產(chǎn)中的三大災(zāi)害之一，直接危害人的生命安全及礦井設(shè)備資源。近年來，細(xì)水霧滅火具有耗水、耗氣量少，滅火效率高，無毒無污染等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。產(chǎn)生細(xì)水霧的核心部件噴頭，決定噴霧效果，影響滅火效率。基于此本研究設(shè)計(jì)一種滅火用氣泡霧化噴頭，可安裝于煤礦井下滅火小車上，避免救援人員近距離接觸火源，適用于礦井初期火災(zāi)。

1 噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析及計(jì)算

1.1 噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

目前氣泡霧化技術(shù)廣泛應(yīng)用于燃燒、制藥、噴涂等領(lǐng)域，本研究設(shè)計(jì)滅火用氣泡霧化噴頭用于滅火，需滿足如下要求：① 噴霧液滴直徑小于400 μm；② 具有一定保護(hù)半徑；③ 足夠的噴霧動(dòng)量；④ 耗氣耗水量少。此外，隨著氣液比ALR增加霧滴直徑減小，但當(dāng)ALR=8%時(shí)液滴直徑基本不再變小。結(jié)合上述要求確定噴頭主要技術(shù)參數(shù)如下：

噴霧液滴直徑：Dsm≤400 μm；

氣液比：ALR=8%；

噴頭流量：18 L/min；

工作壓力：0.3 MPa；

內(nèi)液外氣式五噴口噴頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.充氣接頭 2.供水接頭 3.連接底座 4.帶孔長(zhǎng)管 5.充氣管 6.噴霧頭 7.密封圈 8.噴口圖1 氣泡霧化噴頭結(jié)構(gòu)示意圖

液體和氣體兩相介質(zhì)從進(jìn)入到噴出共經(jīng)歷四個(gè)主要階段，每個(gè)階段對(duì)霧化效果影響的因素不同：① 液體加速階段，進(jìn)口直徑由流量決定；② 氣體注入階段，注氣孔直徑影響氣泡大小及噴霧速度；③泡狀流產(chǎn)生階段，有孔管長(zhǎng)度影響泡狀流演變；④ 噴出階段，噴口直徑、形狀、數(shù)量會(huì)影響到霧化角度及霧化動(dòng)量等。

1.2 噴頭關(guān)鍵尺寸計(jì)算

結(jié)合上述分析，本文依據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)、內(nèi)混式細(xì)水霧噴嘴設(shè)計(jì)方法及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)噴頭的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算如下：

(1)

Al/A2=6.3ALR

(2)

A3=AL+AA=ML/ρLυ+ML·ALR/ρAυ

(3)

L=(2-6)D

(4)

其中，A1、A2、A3分別為噴頭噴口面積、注氣孔面積及有孔管流通面積；AL、AA為液體、氣體流通面積；ρL、ρA分別為液體、氣體密度；L、D分別為有孔管長(zhǎng)度和直徑；ΔpC為混合腔與周圍環(huán)境壓差；CL為液體流量系數(shù)。

噴頭介質(zhì)為水，根據(jù)Lefebvre等人對(duì)大量不同結(jié)構(gòu)噴嘴研究選取CL=0.2，由式(1)、式(2)得出噴口面積A1=79.4 mm2，A2=157.5 mm2，進(jìn)而得出噴口直徑d1及注氣孔直徑d2；本文近似有孔管內(nèi)兩相流均勻且流速相等，由式(3)、式(4)確定有孔管面積及有孔管長(zhǎng)度。得出噴頭的關(guān)鍵尺寸如表1所示。

表1 噴頭關(guān)鍵尺寸 mm

2 噴頭的Fluent仿真

選擇其中一個(gè)噴口建立有限元模型如圖2所示，流場(chǎng)計(jì)算域?yàn)橹睆?00 mm，長(zhǎng)度4000 mm的圓柱，經(jīng)網(wǎng)格劃分形成43609個(gè)六面體單元。采用VOF模型，速度入口、壓力出口邊界條件，其中A為入口，B為出口。

圖2 噴口有限元模型

2.1 噴頭內(nèi)部?jī)上嗔髁鲃?dòng)狀態(tài)

設(shè)定氣泡為離散相，水為連續(xù)相，得出管內(nèi)氣泡的演變仿真及氣泡粒徑分布如圖3，氣泡進(jìn)入經(jīng)過與其他氣泡匯聚變大，由最初0.0019 mm到噴出前0.01 mm。 因此，有孔管長(zhǎng)度決定兩相流噴出前的氣泡粒徑及數(shù)量，對(duì)霧化效果產(chǎn)生影響。

圖3 氣泡粒徑分布

2.2 噴頭下游場(chǎng)噴霧區(qū)仿真分析

設(shè)定空氣為主相，水為第二相，出口壓力設(shè)定為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，重力加速度為9.8 m/s2，分別對(duì)無擴(kuò)散口及帶擴(kuò)散口的噴頭仿真如圖4，噴霧半徑明顯增大且同樣噴霧區(qū)域內(nèi)液滴速度明顯增大，該噴頭采取在噴口處合理增加一定直徑的擴(kuò)散口如圖1所示。

經(jīng)仿真分析知液滴在重力及空氣阻力作用下，在2000 mm逐漸向下，結(jié)束水平直射。對(duì)液滴速度隨噴霧軸向距離的變化仿真如圖5，液滴經(jīng)噴口加速剛離開噴口處速度最大，由壓力差及空氣阻力原因在距噴口0.5 m時(shí)下降到50 m/s，然后隨著噴射距離的增加速度逐漸降低，在軸向噴射距離4000 mm時(shí)，速度降為5 m/s。噴霧徑向截面液滴速度分布仿真如圖6，噴霧區(qū)中心速度最大，依次向周圍遞減，在計(jì)算域邊界處大部分液滴速度為25 m/s， 仍有足夠動(dòng)量穿透火羽。

圖4 噴口形狀對(duì)噴霧效果影響對(duì)比(局部圖)

圖5 液滴速度與噴霧距離的關(guān)系

圖6 噴霧徑向截面液滴速度分布

因此噴口的有效保護(hù)半徑至少為100 mm，該噴頭共有5個(gè)噴口，所以總有效保護(hù)半徑基本滿足500 mm。

建立有限元模型Z軸為噴霧正方向，在Z=1000 mm 處由仿真分析知該處截面噴霧半徑達(dá)到100 mm 即本圓柱體流場(chǎng)計(jì)算域的直徑，統(tǒng)計(jì)出該截面處液滴直徑分布并作出直方圖如圖7。大部分液滴直徑在125 μm之內(nèi)，比例約占65%，在250 μm以內(nèi)的液滴比例基本為90%，該噴頭噴霧液滴直徑基本均在400 μm之內(nèi)，滿足前述細(xì)水霧滅火要求。

圖7 液滴直徑分布直方圖

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種滅火用氣泡霧化噴頭，通過Fluent噴霧數(shù)值模擬得出如下結(jié)論：

(1) 氣泡霧化噴頭霧化效果受噴頭結(jié)構(gòu)影響，合理設(shè)計(jì)關(guān)鍵尺寸有利于提高噴頭霧化能力。

(2) 噴霧液滴速度隨噴霧距離逐漸降低，徑向截面霧滴速度中心較高，依次向周圍降低，該噴頭有效保護(hù)半徑500 mm，有效噴射距離4000 mm。

(3) 通過Fluent仿真，對(duì)噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)，對(duì)救援人員合理、有效的滅火具有理論指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 毛君，張利蓉，丁飛，等.基于Fluent的葉輪機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)模擬研究[J].煤礦機(jī)械，2006,27(8)：49-50.

[2] 戚厚寶，趙繼云，徐展，等.噴霧除塵霧化噴嘴流場(chǎng)仿真與分析[J].煤礦機(jī)械，2011,32(4)：92-94.

[3] 杜文峰.細(xì)水霧滅火機(jī)理研究進(jìn)展[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2013，(8)：74-76.

[4] 侯凌云，侯曉春.噴嘴技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2002.

[5] 周華，盧紅祥，鄧東，等.新型細(xì)水霧滅火噴頭的研制[J].液壓與氣動(dòng)，2006，(6)：62-65.