CN111339630B - 一种气体灭火剂喷放特性的数值模拟方法 - Google Patents

一种气体灭火剂喷放特性的数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种气体灭火剂喷放特性的数值模拟方法，通过建立仿真模型，并运用流体模拟软件FLUENT对喷放过程进行模拟，对灭火剂喷放过程的实际运行状态进行监；对监测所得的数据进行模拟计算，从而得到流体的速度、温度、压力和灭火剂组分等模拟结果，模拟结果对于气体灭火系统喷嘴的设计及选型有着重要的指导意义。

Description

一种气体灭火剂喷放特性的数值模拟方法
技术领域
本发明属于灭火剂喷放领域，具体涉及一种气体灭火剂喷放特性的数值模拟方法。
背景技术
灭火喷嘴是气体灭火系统中最基础的重要部件之一，近年来针对提高喷嘴效率这一问题的研究主要借助数值模拟的方法。其中，陈源源等采用CFD软件中的Mixture两相流混合模型，结合cavitation空化模型与RNGK-ε湍流模型，获得了喷嘴内部的速度、压力分布以及水蒸气体积分数随喷嘴参数的变化规律。肖鹰等通过改变喷嘴的结构参数，探究不同压力下的进水流量和引射空气流量，并且对结构进行优化。焦一航等探究了两种喷嘴的射流特性，得到喷嘴的出口速度与喷出介质的均匀性。M.R.Halder等人通过数值模拟方法，得到喷嘴出口液体流动的径向速度分布规律，对旋流喷雾固体锥压力喷嘴的流量数和喷雾锥角进行了数值和实验研究。Hyung Ju Lee等模拟了孔板喷油器喷射高温航空燃料的过程，预测了高温条件下高燃料蒸汽压力引起的空化机理及影响。丁梁锋等以氮气和水作为两相流，通过改变喷嘴入口、出口、喷嘴总长度等参数，探究消防喷嘴的射流特性。对于管路变径的研究，Manmatha K.Roul等探究了空气和水混合物两相流动时，小圆管内流动面积突然膨胀/收缩引起的压降，并且推导了两相流区收缩和膨胀引起的压力降的关系式。
其中有大部分工作使用的数值模拟方法直接设定出口条件为大气压，而这导致的出口处的压力骤变会对结果产生较大计算误差。同时喷嘴出入口面积比δ不同会造成灭火剂喷放速率、射流锥角、喷放持续时间等的差异，对整个系统的灭火效率有极大的影响。探究其对喷嘴出口处的灭火剂释放特性的影响规律具有重要意义，且对提高喷嘴质量和灭火效率具有实际价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体灭火剂喷放特性的数值模拟方法，以克服上述技术缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种气体灭火剂喷放的仿真模型，包括一根管道、一个喷嘴和一个空间域；管道的出口端连接喷嘴的入口端，管道入口端与空间域相连接。另外，本发明还提供了一种气体灭火系统喷放的仿真模型的模拟方法，包括以下步骤：
步骤一，利用FLUENT软件建立灭火气体的仿真模型，喷嘴模型的网格数采用850000-1050000，圆柱体空间域中，将距离管路入口35mm位置处的圆型面设置为壁面，其余部分的压力P设置为大气压。
步骤二，在FLUENT软件内输入管道入口处速度值、灭火剂两相初始状态和空间域温度值：管道入口处速度v，为25m/s，气相灭火剂体积分数10％，液相灭火剂体积分数80％，氮气体积分数10％，空间域温度294.25k,壁面采用标准壁面函数；
步骤三，根据输入的初始气液相灭火剂体积分数、温度值和速度值，FLUENT软件对气体灭火剂的仿真模型进行模拟，监测气体灭火剂的实际运行状态，记录模拟结果，得到管道出口端的灭火剂速度为
Figure RE-GDA0002468550680000021
压力为
Figure RE-GDA0002468550680000022
喷嘴和管道中轴线与出口截面上的速度和压力分布。
优选地，管道长度250mm，内径14.1mm，粗糙高度为0.16mm，材料为7075铝。
进一步地，喷嘴为直通突扩型喷嘴、渐扩型喷嘴或收缩型喷嘴，粗糙高度为0.16mm，材料为7075铝。
优选地，空间域为圆柱体，半径为350mm，高为1240mm。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点为：
1、本发明保护的气体灭火剂喷放特性的数值模拟方法，通过设计仿真模型，并运用流体流动模拟软件FLUENT对仿真模型进行模拟，对灭火剂喷放过程的实际运行状态进行监测，通过FLUENT软件对监测的数据进行模拟计算，得到流体的速度、温度、压力和灭火剂组分等模拟结果；2、本发明中空间域的建立使得部分模拟数据可采用间接方式计算而得，因而其值更加精确，模拟结果对于气体灭火系统喷嘴的设计及选型有着重要的指导意义
附图说明
图1是气体灭火剂喷放的仿真模型的结构示意图。
图2是喷嘴结构示意图。
图3是收缩型喷嘴结构示意图。
图4是扩张型喷嘴结构示意图。
图5是计算模型结构示意图。
图6是喷嘴轴线上的压力分布图。
图7是收缩喷嘴轴线上的压力分布图。
图8是扩张喷嘴轴线上的压力分布图。
图9是喷嘴轴线上的速度分布图。
图10是收缩喷嘴轴线上的速度分布图。
图11是扩张喷嘴轴线上的速度分布图。
图12是喷嘴出口截面上的压力分布图。
图13是收缩喷嘴出口截面上的压力分布图。
图14是扩张喷嘴出口截面上的压力分布图。
图15是喷嘴出口截面上的速度分布图。
图16是收缩喷嘴出口截面上的速度分布图。
图17是扩张喷嘴出口截面上的速度分布图。
1.管道；2.喷嘴；3.空间域。
具体实施方式
实施例1
一种气体灭火剂喷放的仿真模型，包括一根管道1、一个喷嘴2和一个空间域3；所述管道1的出口端连接喷嘴2的入口端，管道1入口端与空间域3相连接本实施例中气体灭火剂喷放的仿真模型的工作过程是：
由管道入口沿着管道喷射入灭火剂与氮气的混合物，分别通过管道1、喷嘴2，期间发生温度、压力、速度及液相灭火剂的气化过程，由喷嘴2喷放，进入空间域3。
利用本实施例提供的仿真模型模拟气体灭火剂喷放过程，并根据该模型运用流体流动模拟软件FLUENT对气体灭火剂喷放进行模拟，对灭火剂喷放过程的实际运行状态进行监测，通过FLUENT软件对监测的数据进行模拟计算，得到流体的速度、温度、压力和灭火剂组分等数据。气体灭火剂喷放的仿真模型中管道1长度L1为250mm，内径D1为14.1mm。喷嘴2的长径比为3，喷嘴出入口面积比为2，对应的喷嘴内径D2分别为19.9mm，对应的喷嘴长度L2为59.7mm。空间域3为圆柱体，其半径为350mm，高为1240mm。利用FLUENT软件建立灭火气体的仿真模型，喷嘴模型的网格数采用 972640，圆柱体空间域3中，将距离管路入口35mm位置处的圆型面设置为壁面，其余部分的压力P设置为大气压。在FLUENT软件内输入管道1入口处速度值、灭火剂两相初始状态和空间域3温度值：管道1入口处速度v为25m/s，气相灭火剂体积分数10％，液相灭火剂体积分数80％，氮气体积分数10％，空间域3温度294.25k,壁面采用标准壁面函数，相变模型依据
Figure RE-GDA0002468550680000041
与Tsat＝123.59698+5.718595*P*0.23839，其中m为液相向气相转变的质量，即蒸发过程质量，re为时间松弛因子，用于调节相变速率，此处设定为100，α为液相的体积分数，ρ为液相的密度，T为温度，Tsat为饱和温度，P*为灭火剂的饱和蒸气分压；
根据输入的初始气液相灭火剂体积分数、温度值和速度值，FLUENT软件对气体灭火剂的仿真模型进行模拟，监测气体灭火剂的实际运行状态，记录模拟结果，得到管道 1出口端的灭火剂速度为47.2465m/s，压力为366065Pa；喷嘴2和管道1中轴线与出口截面上的速度和压力分布。根据喷嘴出口的压力、速度等，对于气体灭火系统喷嘴的设计及选型有着重要的指导意义。
实施例2
将喷嘴换成收缩型，气体灭火剂喷放的仿真模型中管道1长度L1为250mm，内径 D1为14.1mm。喷嘴的出入口面积比为0.2，截面收缩收敛角为10°，对应的喷嘴长度 L2为44.6mm。空间域3为圆柱体，其半径为350mm，高为1240mm。利用FLUENT 软件建立灭火气体的仿真模型，喷嘴模型的网格数采用1026480，圆柱体空间域3中，将距离管路入口35mm位置处的圆型面设置为壁面，其余部分的压力P设置为大气压。在FLUENT软件内输入管道1入口处速度值、灭火剂两相初始状态和空间域3温度值：管道1入口处速度v为25m/s，气相灭火剂体积分数10％，液相灭火剂体积分数80％，氮气体积分数10％，空间域3温度294.25k,壁面采用标准壁面函数，相变模型依据
Figure RE-GDA0002468550680000051
与Tsat＝123.59698+5.718595*P*0.23839，其中m为液相向气相转变的质量，即蒸发过程质量，re为时间松弛因子，用于调节相变速率，此处设定为 100，α为液相的体积分数，ρ为液相的密度，T为温度，Tsat为饱和温度，P*为灭火剂的饱和蒸气分压；
根据输入的初始气液相灭火剂体积分数、温度值和速度值，FLUENT软件对气体灭火剂的仿真模型进行模拟，监测气体灭火剂的实际运行状态，记录模拟结果，得到管道 1出口端的灭火剂速度为141.052m/s，压力为1.52977×107Pa；收缩喷嘴和管道1中轴线与出口截面上的速度和压力分布。
实施例3
将喷嘴换成扩张型，气体灭火剂喷放的仿真模型中管道1长度L1为250mm，内径 D1为14.1mm。喷嘴的出入口面积比为2.5，截面扩张角为10°，对应的喷嘴长度L2为 46.9mm。空间域3为圆柱体，其半径为350mm，高为1240mm。利用FLUENT软件建立灭火气体的仿真模型，喷嘴模型的网格数采用854720，圆柱体空间域3中，将距离管路入口35mm位置处的圆型面设置为壁面，其余部分的压力P设置为大气压。在FLUENT 软件内输入管道1入口处速度值、灭火剂两相初始状态和空间域3温度值：管道1入口处速度v为25m/s，气相灭火剂体积分数10％，液相灭火剂体积分数80％，氮气体积分数10％，空间域3温度294.25k,壁面采用标准壁面函数，相变模型依据
Figure RE-GDA0002468550680000052
与Tsat＝123.59698+5.718595*P*0.23839，其中m为液相向气相转变的质量，即蒸发过程质量，re为时间松弛因子，用于调节相变速率，此处设定为100，α为液相的体积分数，ρ为液相的密度，T为温度，Tsat为饱和温度，P*为灭火剂的饱和蒸气分压；
根据输入的初始气液相灭火剂体积分数、温度值和速度值，FLUENT软件对气体灭火剂的仿真模型进行模拟，监测气体灭火剂的实际运行状态，记录模拟结果，得到管道1出口端的灭火剂速度为56.257m/s，压力为353853Pa；扩张喷嘴和管道1中轴线与出口截面上的速度和压力分布。

Claims (5)

1.一种气体灭火剂喷放的仿真模型，其特征在于：包括
一根管道(1)，用于输送灭火剂，灭火剂于管道(1)内发生相变；
一个喷嘴(2)，用于改变灭火剂喷射过程的速度、压力；
一个空间域(3)，灭火剂喷放至空间域(3)中，通过设置边界条件，得到喷嘴(2)出口处速度与压力平均值；
管道(1)的出口端连接喷嘴(2)的入口端，管道(1)入口端与空间域(3)相连接；包括以下步骤：
步骤一，利用FLUENT软件建立灭火气体的仿真模型，喷嘴模型的网格数采用850000-1050000，圆柱体空间域(3)中，将距离管路入口35mm位置处的圆型面设置为壁面，其余部分的压力P设置为大气压；
步骤二，在FLUENT软件内输入管道(1)入口处速度值、灭火剂两相初始状态和空间域(3)温度值：管道(1)入口处速度v，为25m/s，气相灭火剂体积分数10％，液相灭火剂体积分数80％，氮气体积分数10％，空间域(3)温度T，为294.25k,壁面采用标准壁面函数，相变模型依据
Figure FDA0003809505550000011
与Tsat＝123.59698+5.718595*P*0.23839，其中m为液相向气相转变的质量，即蒸发过程质量，re为时间松弛因子，用于调节相变速率，此处设定为100，α为液相的体积分数，ρ为液相的密度，T为温度，Tsat为饱和温度，P*为灭火剂的饱和蒸气分压；
步骤三，根据输入的初始气液相灭火剂体积分数、温度值和速度值，FLUENT软件对气体灭火剂的仿真模型进行模拟，监测气体灭火剂的实际运行状态，记录模拟结果，得到管道(1)出口端的灭火剂速度为
Figure FDA0003809505550000012
压力为
Figure FDA0003809505550000013
喷嘴(2)和管道(1)中轴线与出口截面上的速度和压力分布。
2.如权利要求1所述的气体灭火剂喷放的仿真模型，其特征在于：所述的管道(1)为圆柱体，长度L1为250mm，内径D1为14.1mm，粗糙高度为0.16mm，材料为7075铝。
3.如权利要求1所述的气体灭火剂喷放的仿真模型，其特征在于：所述的喷嘴(2)为直通突扩型喷嘴、渐扩型喷嘴或收缩型喷嘴，且粗糙高度为0.16mm，材料为7075铝。
4.如权利要求1所述的气体灭火剂喷放的仿真模型，其特征在于：所述空间域(3)为圆柱体，其半径为350mm，高为1240mm。
5.一种如权利要求1～4中任一所述的气体灭火剂的仿真模型的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，利用FLUENT软件建立灭火气体的仿真模型，喷嘴模型的网格数采用850000-1050000，圆柱体空间域(3)中，将距离管路入口35mm位置处的圆型面设置为壁面，其余部分的压力P设置为大气压；
步骤二，在FLUENT软件内输入管道(1)入口处速度值、灭火剂两相初始状态和空间域(3)温度值：管道(1)入口处速度v，为25m/s，气相灭火剂体积分数10％，液相灭火剂体积分数80％，氮气体积分数10％，空间域(3)温度T，为294.25k,壁面采用标准壁面函数，相变模型依据
Figure FDA0003809505550000021
与Tsat＝123.59698+5.718595*P*0.23839，其中m为液相向气相转变的质量，即蒸发过程质量，re为时间松弛因子，用于调节相变速率，此处设定为100，α为液相的体积分数，ρ为液相的密度，T为温度，Tsat为饱和温度，P*为灭火剂的饱和蒸气分压；
步骤三，根据输入的初始气液相灭火剂体积分数、温度值和速度值，FLUENT软件对气体灭火剂的仿真模型进行模拟，监测气体灭火剂的实际运行状态，记录模拟结果，得到管道(1)出口端的灭火剂速度为
Figure FDA0003809505550000022
压力为
Figure FDA0003809505550000023
喷嘴(2)和管道(1)中轴线与出口截面上的速度和压力分布。
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