基于Fluent灭火用气泡雾化喷头设计仿真

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(中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037)

引言

煤矿火灾是煤矿安全生产中的三大灾害之一，直接危害人的生命安全及矿井设备资源。近年来，细水雾灭火具有耗水、耗气量少，灭火效率高，无毒无污染等优点得到广泛应用。产生细水雾的核心部件喷头，决定喷雾效果，影响灭火效率。基于此本研究设计一种灭火用气泡雾化喷头，可安装于煤矿井下灭火小车上，避免救援人员近距离接触火源，适用于矿井初期火灾。

1 喷头结构设计分析及计算

1.1 喷头结构设计分析

目前气泡雾化技术广泛应用于燃烧、制药、喷涂等领域，本研究设计灭火用气泡雾化喷头用于灭火，需满足如下要求：① 喷雾液滴直径小于400 μm；② 具有一定保护半径；③ 足够的喷雾动量；④ 耗气耗水量少。此外，随着气液比ALR增加雾滴直径减小，但当ALR=8%时液滴直径基本不再变小。结合上述要求确定喷头主要技术参数如下：

喷雾液滴直径：Dsm≤400 μm；

气液比：ALR=8%；

喷头流量：18 L/min；

工作压力：0.3 MPa；

内液外气式五喷口喷头结构如图1所示。

1.充气接头 2.供水接头 3.连接底座 4.带孔长管 5.充气管 6.喷雾头 7.密封圈 8.喷口图1 气泡雾化喷头结构示意图

液体和气体两相介质从进入到喷出共经历四个主要阶段，每个阶段对雾化效果影响的因素不同：① 液体加速阶段，进口直径由流量决定；② 气体注入阶段，注气孔直径影响气泡大小及喷雾速度；③泡状流产生阶段，有孔管长度影响泡状流演变；④ 喷出阶段，喷口直径、形状、数量会影响到雾化角度及雾化动量等。

1.2 喷头关键尺寸计算

结合上述分析，本文依据流体力学相关知识、内混式细水雾喷嘴设计方法及相关经验公式对喷头的关键结构尺寸计算如下：

(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分别为喷头喷口面积、注气孔面积及有孔管流通面积；AL、AA为液体、气体流通面积；ρL、ρA分别为液体、气体密度；L、D分别为有孔管长度和直径；ΔpC为混合腔与周围环境压差；CL为液体流量系数。

喷头介质为水，根据Lefebvre等人对大量不同结构喷嘴研究选取CL=0.2，由式(1)、式(2)得出喷口面积A1=79.4 mm2，A2=157.5 mm2，进而得出喷口直径d1及注气孔直径d2；本文近似有孔管内两相流均匀且流速相等，由式(3)、式(4)确定有孔管面积及有孔管长度。得出喷头的关键尺寸如表1所示。

表1 喷头关键尺寸 mm

2 喷头的Fluent仿真

选择其中一个喷口建立有限元模型如图2所示，流场计算域为直径200 mm，长度4000 mm的圆柱，经网格划分形成43609个六面体单元。采用VOF模型，速度入口、压力出口边界条件，其中A为入口，B为出口。

图2 喷口有限元模型

2.1 喷头内部两相流流动状态

设定气泡为离散相，水为连续相，得出管内气泡的演变仿真及气泡粒径分布如图3，气泡进入经过与其他气泡汇聚变大，由最初0.0019 mm到喷出前0.01 mm。 因此，有孔管长度决定两相流喷出前的气泡粒径及数量，对雾化效果产生影响。

图3 气泡粒径分布

2.2 喷头下游场喷雾区仿真分析

设定空气为主相，水为第二相，出口压力设定为1个标准大气压，重力加速度为9.8 m/s2，分别对无扩散口及带扩散口的喷头仿真如图4，喷雾半径明显增大且同样喷雾区域内液滴速度明显增大，该喷头采取在喷口处合理增加一定直径的扩散口如图1所示。

经仿真分析知液滴在重力及空气阻力作用下，在2000 mm逐渐向下，结束水平直射。对液滴速度随喷雾轴向距离的变化仿真如图5，液滴经喷口加速刚离开喷口处速度最大，由压力差及空气阻力原因在距喷口0.5 m时下降到50 m/s，然后随着喷射距离的增加速度逐渐降低，在轴向喷射距离4000 mm时，速度降为5 m/s。喷雾径向截面液滴速度分布仿真如图6，喷雾区中心速度最大，依次向周围递减，在计算域边界处大部分液滴速度为25 m/s， 仍有足够动量穿透火羽。

图4 喷口形状对喷雾效果影响对比(局部图)

图5 液滴速度与喷雾距离的关系

图6 喷雾径向截面液滴速度分布

因此喷口的有效保护半径至少为100 mm，该喷头共有5个喷口，所以总有效保护半径基本满足500 mm。

建立有限元模型Z轴为喷雾正方向，在Z=1000 mm 处由仿真分析知该处截面喷雾半径达到100 mm 即本圆柱体流场计算域的直径，统计出该截面处液滴直径分布并作出直方图如图7。大部分液滴直径在125 μm之内，比例约占65%，在250 μm以内的液滴比例基本为90%，该喷头喷雾液滴直径基本均在400 μm之内，满足前述细水雾灭火要求。

图7 液滴直径分布直方图

3 结论

设计了一种灭火用气泡雾化喷头，通过Fluent喷雾数值模拟得出如下结论：

(1) 气泡雾化喷头雾化效果受喷头结构影响，合理设计关键尺寸有利于提高喷头雾化能力。

(2) 喷雾液滴速度随喷雾距离逐渐降低，径向截面雾滴速度中心较高，依次向周围降低，该喷头有效保护半径500 mm，有效喷射距离4000 mm。

(3) 通过Fluent仿真，对喷头结构优化提供参考依据，对救援人员合理、有效的灭火具有理论指导意义。

参考文献：

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