手持式灭火喷射器管型设计

牛鹏宇 张义 王正蓝 张金泉 魏旭旺

摘 要：对于设计的手持式灭火喷射器，主要通过产生气体压力喷射干粉粉粒。而不同管型的喷射器对管内外气粉流的运动状态有决定性作用。管型的不同，其气粉流的沿程阻力和管内速度均会发生变化。为了了解不同管型对喷射性能的影响，分别对渐缩喷嘴型、渐缩尾扩型和直管喷嘴型三种喷射管的喷射流场进行数值模拟，分析在喷射管管型不同时，管内外气粉流速度的变化规律。

关键词：手持式喷射器；喷粉速度；仿真

1 引言

近年来，消防人员在面对各种各样的火灾时，使用的灭火器种类繁多。新设计的手持式灭火喷射器，具有结构便携、喷射迅速的特点，为消防人员提供了更多的灭火选择；GAMBIT建模软件可以构建仿真模型，FLUENT流体软件能够较为逼真的模拟出气粉二相流，以便进行相关数据的分析。

2 不同管型方案设计

喷射管是手持式灭火喷射器的主要部件，其结构尺寸的确定对喷射性能有很大影响，通过设计喷射管的不同管型、管长和出口直径，从而研究得出最佳喷射管结构。

管型之间的变化，本质上是管体不同阶段的渐缩变化，为了清楚不同管型的变化规律，以渐缩尾扩型喷射管结构尺寸为基础，研究管型变化规律。下面对渐缩喷嘴型、渐缩尾扩型和直管喷嘴型三种喷射管进行三维建模。

根据同类产品规格，结合所选风机出口的尺寸，初步确定不同管型喷射管气流入口直径D=104mm、颗粒入口直径dr=26mm、中心轴线管长L=1290mm。

表1 不同管型初始尺寸

气流入口 颗粒入口直 渐缩管长 直管段直 出口直径 喷嘴长度 管长

直径D/mm 径dr /mm 度L1/mm 径d1/mm d2 /mm L2 /mm /mm

其余各管型尺寸标注如下。

3 数值模型建立与求解

喷射器的管内和管外为气固两相，气相连续、固相离散，两相均为不可压缩相，流场具有低速和持续的特点，颗粒的运动需要稳态跟踪。气固两相流模型选用颗粒轨道模型；湍流模型选用标准k- 模型。

3.1 网格划分

在GAMBIT软件中进行参数设置，Elements：Quad；Type：Submap；Intervel size：2，并对网格进行划分。

3.2 边界条件设置

3.2.1 气流入口边界条件的设置

由于入射气流是宏观低速，通过测试得到入口速度约为38.8m/s，出口速度在100m/s以下，气流入口设置为速度入口。

（a）渐缩喷嘴型喷射管尺寸标注图

（b）渐缩尾扩型喷射管示意图

（c）直管喷嘴型喷射管尺寸标注图

图1不同管型型喷射管尺寸标注图

3.2.2 颗粒入口边界条件的设置

颗粒入口速度为宏观低速，粉流为不可压缩流动，颗粒入口设置为速度入口。

3.2.3 出口边界条件设置

相比于自由出流（outflow）而言，压力出口（pressure-outlet）更容易收敛，对于出口有回流的问题，压力出口能更好的解决。因此，出口边界设置为压力出口。

3.3 数值模拟结果分析

气固两相相间耦合，存在滑移，气体作为推动动力源，其速度大于颗粒速度，气粉流耦合后的气固两相速度取平均值。喷射器的近口流场速度对射程的影响非常大，重点分析中心轴线上的速度变化。

3.3.1 渐缩喷嘴型喷射管

1）速度流场图 2）速度位移图

3.3.2 渐缩尾扩型喷射管

3）速度流场图 4）速度位移图

3.3.3渐缩尾直型喷射管

5）速度流场图 6）速度位移图

图2不同管型速度分析

图3不同管型喷射近口流场速度位移

4 结语

喷射管管型变化的本质是管体不同阶段渐缩角的变化。管体渐缩角增大时，气粉流在管内速度增大。有渐缩型喷嘴的喷射管，气粉流出口处速度值并没有达到最大，而是在出口外的一小段距离上速度达到最大值。不同管型在喷射近口流场核心射流区的长度不相等，且可以计算。

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