泡沫喷射器结构对泡沫射流影响的研究*
时间：2023-02-28 18:40:07 来源：千叶帆 本文已影响人
尚祖政 ，张广文，陈 硕，郎需庆 ，牟小冬 ，崔芃雨
(1.中石化安全工程研究院有限公司，山东青岛 266104 2.青岛诺诚化学品安全科技有限公司，山东青岛 266071 3. 中国石油化工集团有限公司安全监管部，北京 100728)
石化行业的火灾爆炸危险性大、热辐射强，灭火救援过程中很难靠近灭火，消防泡沫依靠泡沫炮、泡沫枪、消防车等远距离喷射泡沫[1-3]。但目前现有泡沫炮的射程不一，流量、落点等指标与理论设计的结果略有偏差。
为了实现“精确打击、快速灭火”的目标，已有多位学者对消防泡沫射流轨迹进行了一系列研究。胡成，等[4]开展了压缩空气泡沫射流轨迹的研究；
李兆敏，等[5]使用流体力学数值模拟软件对泡沫流体轴对称层流淹没射流进行了数值计算；
候晓静[6]使用随机森林模型对泡沫射流射程和水射流射程进行综合分析，并建立预测模型。大多研究是通过消防炮喷射的泡沫轨迹模拟研究，在泡沫喷射器流道结构对泡沫轨迹影响方面研究较少。本文从构建泡沫炮流道泡沫流动计算模型和喷射测试两个方面，分析喷射器整流管的长度、喷嘴特征尺寸等条件对泡沫在喷射器流道内的压降特性、速度分布、湍流结构、发泡倍数和泡沫射程的影响，确定泡沫喷射器的最优结构，为泡沫炮的设计与应用提供指导。
泡沫本质上是一种非牛顿流体，具有剪切变稀的特性。泡沫流动属于两相流，虽然在微观层次上观察到气泡与液体之间存在一定的滑移，但从工程应用角度考虑，当气泡大小远小于流动边界的几何尺寸时，可以将泡沫近似看成均相混合物。
1.1 射流管的结构
如图1所示，泡沫通过入口进入射流管内，射流管前段为直管段的整流管，用于稳定泡沫，此时泡沫状态较好；
中段为收缩管，考虑到提高泡沫的喷射距离，故而要进行缩径处理，根据收缩角的角度进行收缩，由于射流管的收缩段的直径缩小，管内泡沫的流速增大，部分泡沫会破裂；
射流管后段为喷嘴，泡沫经过喷嘴后完成喷射。
图1 射流管示意
1.2 数值模拟方程
本文模拟使用Fluent软件，利用欧拉模型，通过动量方程和连续性方程，进行压力和相间互换系数的耦合来进行计算。
Fluent中的条件设定为：进入喷射器的泡沫是均匀混合流体，选择欧拉模型[7]，首相为空气，次相为泡沫混合液(水)，表面张力20 mN/m；
发泡倍数为8，混合液的流量固定为10 L/s，收缩角12.5°，进口采用质量流量入口；
出口边界采用压力出口，表压为0，整流管直径120 mm，无滑移壁面条件，碳钢材料的壁面粗糙高度0.05 mm，壁面粗糙常数0.5。
1.3 计算结果分析
1.3.1 压力分布
管段入口压力根据设定的空气和水的质量流量计算得出，数值近似0.2 MPa。由图2可以看出泡沫在入口直管段及收缩管压力下降梯度较小，在进入收缩管后压力急剧下降，泡沫膨胀，静压转化成动压，泡沫流速增加。泡沫出口流速越大，泡沫射流的射程越远，越有利于灭火。
图2 管段压力分布示意
当泡沫流出空气中，如果临近出口各点处的流动方向平行度差会导致泡沫柱提前发散，喷出的泡沫易破裂造成气液两相分离；
如果临近出口处各点的流动方向平行度好，能保证喷出的液柱较长时间内保持较良好的聚拢状态，气液混合完好。从图3所示的模拟结果效果可以看出泡沫经过整流管后，泡沫呈聚拢状态，方向整流，所以整流管具有对喷出泡沫的聚拢作用。
图3 射流管内泡沫流线示意
由图3、图4可知，入口整流管为直管段，管径保持不变，泡沫的整体流速比较稳定，接近匀速运动；
当泡沫进入收缩管后，收缩管段的前半部分压力变化不大，所以流速增长缓慢，而收缩管的后半部分压力下降剧烈，流体静压开始迅速向动压转化，流动速度快速增长，这是因为当泡沫通过喷嘴后，泡沫静压要迅速降低至大气压，此时静压迅速转化为动压，从而获得较大的出流速度，直至泡沫喷到外界，静压完全转换为动压减为0。由图4可知静压转化为动压是主要的功能转变过程。
1.3.2 整流管长度对泡沫喷射的影响
通过图3可以发现，虽然管内是速度较大的湍流，但是流动受管道束缚，流线近乎与管壁平行，可见整流管的作用是进行速度方向的整流。表1中的出口体积流量和混合液流量的比值8∶1，相当于发泡倍数，随着整流管长度增加，出口体积流量略微增大；
通过控制收缩角12.5°、喷嘴直径45 mm不变，整流管长度从90 mm(2倍喷嘴直径)开始增加，随着整流管长度增加，出口中心轴线速度逐渐增加，当整流管长度较短时，随着增加管段长度，由表1可以看出，速度增益较为明显。但当管段长度达到200 mm(4.4倍喷嘴直径)之后，出口速度增益降低，且在实际工程应用过程中整流管长度不宜过长。因此，整流管长度是喷嘴直径4倍以上时，可保证出口速度。
表1 不同整流管长度的模拟结果
1.3.3 喷嘴直径对泡沫喷射的影响
泡沫在管内处于压缩状态，质量流量一定的情况下，管径小，速度大[8]，保持气液比8∶1，初始压力0.5 MPa，收缩角为12.5°，整流管长200 mm，管径为80 mm不变的条件下，模拟喷嘴直径对泡沫喷射的影响，模拟结果如表2所示。如图5所示，喷嘴直径与出口轴线速度类线性关系，这一点与不可压缩流体有较大区别。在收缩角和整流管长度变化不大的情况下，可以近似用线性关系推算出流速度的大小，或者插值推算速度大小。
从表2可以看出，喷嘴直径较细时，出口体积流量变低，出口压力增大。喷嘴直径从37 mm增加到61 mm时，出口流量增大约1.4倍，但出口压力降低6倍，当喷嘴直径从37 mm增大到45 mm时(整流管半径40 mm)，出口压力下降幅度较大。
表2 不同喷嘴直径的模拟结果
图5 不同喷嘴直径与出口中心轴线
1.4 模拟结果
通过对不同尺寸的整流管长度和喷嘴直径的压力、流量等参数的模拟计算，结果表明：当整流管长度达到整流管直径的4倍以上时，对泡沫出口流速影响不大；
泡沫喷嘴直径越大，出口压力越小、流量越大，出口压力决定了喷射距离，但当泡沫喷嘴直径大于整流管半径时，出口压力下降严重，为了保证射程，喷嘴直径建议小于整流管直径的0.5倍。
现制作8支不同尺寸的泡沫喷射器(直管段直径均为120 mm)如表3所示，进行发泡倍数和射程的实际测试。
表3 不同尺寸泡沫喷射器参数 mm
2.1 实验条件
本实验使用的泡沫是水成膜泡沫混合液，通过气液比为8∶1的压缩空气发泡方式产生泡沫，具体流程是首先将3%型泡沫原液通过比例混合装置配置成泡沫混合液，再由电动消防泵将泡沫混合液经气液比为8∶1的泡沫发生器发泡后产生泡沫，泡沫再通过消防水带输送到泡沫喷射器入口，电动消防泵压力约为0.6～0.7 MPa，泡沫喷射器入口安装流量计和泡沫发生器，泡沫通过泡沫喷射器喷出，泡沫喷射器安装压力传感器，如图6所示，泡沫喷射器喷射角为仰角45°，经测试出口压力为0.2 MPa。喷射出的泡沫按照GB 15308—2006《泡沫灭火剂》中的发泡倍数的测试方法测试。
图6 泡沫喷射实验现场
2.2 实验结果分析
45°仰角下泡沫喷射器喷射结果如表4所示。
表4 各个泡沫喷射器喷射结果
通过表4的试验结果可以看出，喷嘴直径37 mm的1#、2#泡沫喷射器出口流量均是32.5 m3/h；
喷嘴直径45 mm的3#、4#、5#泡沫喷射器出口流量均是32.8 m3/h，这说明流量大小和喷嘴直径有关，与整流管长度无关。
从1#和2#泡沫喷射器，3#、4#、5#泡沫喷射器，6#、7#、8#泡沫喷射器的3组对比发泡倍数测试结果可以看出，喷嘴尺寸相同，整流管长越长，发泡倍数略高，泡沫效果越好。原因是整流管长度增加，泡沫射流的边界层流速变化幅度小，泡沫层受破坏程度小，泡沫完整性好，发泡倍数越高，可见整流管长度增大有利于管内泡沫射流的稳定。
从2#、3#、6#泡沫喷射器，5#和8#泡沫喷射器的发泡倍数测结果可以看出，整流管长相同，喷嘴直径越大，发泡倍数越高，泡沫效果越好，与模拟计算的结果一致。这是因为在泡沫流量相同的情况下，喷嘴直径越大，管内压力转换过程会变慢，泡沫在喷射管内体积膨胀更充分，受管壁挤压破坏的程度小。
通过表4的结果可以看出，1#、2#喷嘴直径37 mm的泡沫喷射器喷射的泡沫距离达到27 m以上，距离最远；
3#、4#、5#泡沫喷射器喷射的泡沫距离25 m左右；
6#、7#、8#泡沫喷射器的泡沫距离在22.5～23.5 m，距离最短。同时2#泡沫喷射器的喷射距离略高于1#泡沫喷射器的喷射距离；
5#泡沫喷射器喷射的泡沫距离略高于3#、4#泡沫喷射器；
8#泡沫喷射器喷射的泡沫距离略高于6#、7#泡沫喷射器。通过以上结果可以看出，喷嘴尺寸相同，整流长度越长，射程会有略微的提高，其对提升射程的作用有限；
但整流长度相同，喷嘴尺寸减小，射程明显提高。原因是喷嘴尺寸变小后，泡沫射流在喷射口内部流速增大，泡沫射流的动能增加，提升了泡沫射程。
从喷射测试结果看，泡沫喷射状态结果验证了模拟结果的有效性，在一定程度上，模拟结果直观反映了泡沫状态，其规律可用于预测泡沫状态，用于优选泡沫喷射器结构。可见，压缩空气泡沫的喷射状态不仅考虑泡沫流量，还要考虑泡沫在喷射管内的发泡情况变化，喷射器的流道结构直接影响泡沫喷射状态。
本文使用Fluent软件，依托于欧拉模型，对泡沫流体在喷射器内的喷射进行了研究，分别讨论了在流量、发泡倍数不变的情况下，整流管长度、喷嘴直径对管内流动状态、泡沫喷射效果的影响。参考模拟结果制作8支整流管长度、喷嘴尺寸不同的泡沫喷射器，分析实测实验数据与模拟结果得到以下结论。
a) 泡沫的流量受喷嘴直径影响，喷嘴直径越大，泡沫流量越大，整流管长度对泡沫的流量影响甚微。
b) 泡沫的发泡状态受整流管长度、喷嘴直径影响，整流管越长、喷嘴直径越大，泡沫发泡效果越好，但不能为了追求发泡效果，一味增大喷嘴直径，当喷嘴直径大于整流管直径0.5倍以上时，泡沫流速大幅降低。
c) 泡沫射程受喷嘴直径影响较大，喷嘴直径越小，泡沫射程越短；
泡沫射程受整流管长度影响较小，整流管的长度增加，泡沫射程略微提高。
基于泡沫喷射管的整流管长度和喷嘴直径两个参数，通过模拟研究和实体测试，得到泡沫喷射受整流管长度和喷嘴直径的影响结果，但消防泡沫喷射装置产品的开发，不只是单单考虑到整理管和泡沫喷嘴两个变量，在以后的研究中需要结合应用场景进一步丰富所涉及的实验参数、条件。
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