一种七喷嘴细水雾喷头的设计与仿真

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(1.西华大学能源与动力工程学院，四川 成都 6100392.成都威斯特消防机械有限公司，四川 成都 611730)

·能源与环境·

一种七喷嘴细水雾喷头的设计与仿真

唐 孛1，李庆刚1*，成华友2，葛 凯1

(1.西华大学能源与动力工程学院，四川 成都 6100392.成都威斯特消防机械有限公司，四川 成都 611730)

为解决单喷嘴细水雾喷头雾化锥角较小及多喷嘴组合式细水雾喷头体积与流量较大等问题，设计一种新型直射混合旋流式七喷嘴的细水雾喷头，研究喷头结构参数与型式对喷头雾化效果的影响，并在多个压力工况下对最优结构配比喷头进行数值模拟。仿真结果表明：新型七喷嘴直射混合旋流式细水雾喷头能够获得较大轴向动量和径向动量，且由7个喷嘴有效地增大了喷头的雾化保护锥角，在1.2 MPa工况理想状况下喷雾保护锥角最大可达146.3°，流量特性系数K在3.82～3.87之间，具有足够的喷射强度。

七喷嘴;细水雾；参数优化；CFX仿真

细水雾喷头是细水雾灭火系统的核心关键部件，其性能的优劣决定了系统的整体功效[1]。由于细水雾灭火喷头内部湍流运动以及外部两相雾化机制的复杂性，目前工程应用的细水雾灭火喷头的雾化效果仍然不太理想，因此对细水雾灭火喷头的结构和雾化性能进行研究探讨是必要的[2]。本文针对单喷嘴细水雾喷头雾化半径和保护半径较小及多喷嘴喷头的体积和流量太大等问题，在课题组已有研究成果的基础上，设计一种新型七喷嘴结构直射混合旋流式细水雾喷头，并对其进行CFX仿真。

1 七喷嘴细水雾喷头结构设计

1.1设计思路

笔者所在的课题组已分别设计发明了一种混合旋流式单喷嘴喷头及一种基于此的五喷嘴组合式喷头，并均已获得国家专利。在此基础上，笔者通过改变进水方式及增加节流孔，设计出一种新型直射混合旋流式七喷嘴结构喷头，以期能够解决单喷嘴细水雾喷头雾化保护锥角较小及多喷嘴组合式细水雾喷头体积与流量较大等问题，实现喷头结构紧凑、体积小巧、雾化性能好、雾化保护半径大、喷雾动量大、雾粒密度均匀、耗水量少、灭火效能好、各个喷嘴孔喷雾间无干扰等优点。

1.2七喷嘴细水雾喷头结构

该七喷嘴细水雾喷头结构如图1所示。其结构特点：具有1个顶部进水口(直径D1)和2个斜向侧面进水口(直径D2),以及在底部有1个中心喷嘴出水口(直径D3)和6个侧向喷嘴出水口(直径D4)。2个旋向一致的侧面斜向进水口以与侧面内壁面切向成30°角进入喷头的混合腔，产生旋流，并与顶部进水口的直射流混合，形成具有强烈扰动的旋流运动，在顶部进水口轴向动能推动下，混合旋流最后从喷头的各个喷嘴出水口喷出与大气产生强烈碰撞形成细水雾[3]。

图1 多喷嘴组合式细水雾喷头结构

该喷头具有以下特点：

1)喷头有效利用了进入喷头混合旋流腔压力水的直射能量和旋转能量；

2)具有多个喷嘴，实现了较大的保护半径；

3)体积小，结构紧凑，加工简单。

1.3结构参数设计

顶部进水口D1和2个斜向侧面进水口D2的合适配比是确保细水雾兼具较大轴向动量和雾化半径的重要参数。D1越大，轴向动量越大，但是过大会使雾化角缩小且不利于扑灭油类火灾；D2越大，径向动量越大，雾化半径也就越大，但在总能量一定的条件下，径向动量过大会导致轴向动量过小，细水雾的贯穿距离减小，也不利于火灾的扑灭[4]。

据已有的研究成果可知，节流孔是喷头实现雾化的关键部位，节流孔D3和D4尽可能地小，以减小雾滴直径和流量；但不可过小，增加壁面摩擦损失而导致射流能量损失过大，且容易导致节流孔被杂质堵住[4]。依据课题组的实验结果，收缩角α介于45°与70°较为合理。同时，也应当考虑中心出水口和侧面出水口之间的角度β，在实现扩大雾化锥角的同时各个喷嘴尽量不产生干涉。

综上，在喷头结构的初步设计中，取D3与D4均为1 mm，α为60°，β为45°，D1为1～5 mm，D2为1～2 mm。设i=D1/D2,对不同i组合的不同结构配比的新型七喷嘴直射混合旋流式细水雾喷头进行数值模拟。喷头的结构配比如表1所示。

表1 喷头的结构配比

2 七喷嘴细水雾喷头的数值模拟

2.1数学模型

细水雾喷头雾化过程是异常复杂的，不仅包括喷头内部的混合旋流、湍流，还涵盖了外部流场的射流、双相流、空气连续相破裂、雾滴的碰撞、聚合卷吸等复杂运动[5]；因此，目前仅有多个近似描述该类流场的数学模型。笔者选用的是RNGk-ε模型，实验证明选择RNGk-ε模型对于喷雾这类流动是比较恰当的[6]。其中：k为湍动能，其单位为m2/s2，定义速度波动的变化量;ε为湍动能耗散，其单位为m2/s3，表征速度波动耗散的速率。k、ε值直接从湍动能和湍动能耗散方程中求解，方程为：

(1)

(2)

式中Cε2RNG、σk、σε为常数。

Cε1RNG=1.42-fη，

(3)

(4)

(5)

式中：βRNG、CμRNG为常数；Pk为黏性力和浮力的湍流产物[7]。

2.2网格划分与流场设定

喷头的内部流场及外部流场的模型是使用ANSYS的前处理软件ICEM建立的，并对其进行网格划分，对喷头的进出口附近进行局部加密，如图2所示。由于外部流场模型体积过大，中心节流孔与侧面节流孔仅仅是速度大小的差别(忽略了重力因素)，故建立一中心切平面来辅助分析，其网格划分见图3。

图2 喷头内部整体流场的网格划分

图3 外部流场中心面网格划分

在不同压力工况下对整个流场进行数值模拟，并将整个流场模拟分为喷头内部流场及外部流场。喷头的3个进水口均设为压力进口，7个喷嘴节流孔设为压力出口，外界为空气，相对压强为0。外部流场含水和空气两相，采用VOF模型，第一相为空气，辅相为水。通过动态改变步长进行非稳态计算来加速收敛，同时为增强计算的准确性，根据流场的压力梯度进行网格的自适应调整[8]。

2.3不同i组合数值模拟结果的喷头优化结构确定

设计的喷头主要应用于中高压消防灭火系统，在5 MPa压力工况下依次对各个代号的喷头进行数值模拟，7个喷头的模拟结果如表2、表3所示。

表2 喷头的速度模拟结果

表3 喷头的压力模拟结果

通常认为节流孔出口喷射速度越大,压强越接近大气压(也应避免负压),则雾化效果越好。由表2及表3可知，IV喷头是最优方案。同时还对选定的IV喷头在多个压力工况(1.2、2.5、3.5、5、7 MPa)下进行了模拟分析。

2.4 IV喷头内部流场数值模拟结果

由图4及图5可看出，进水口处压力最高，混合腔压力趋于稳定，而出水口处压力急剧减小。其中，轴向进水口流道压力要低于侧向进水口流道及混合腔的压力，这是由于只有轴向进水口速度(流量)大才能满足质量守恒(有7个节流孔，只有3个进水口)。除了一小部分压力损失，其余减小的压力能转化为水流动能。通过对比图5可知，压力能的降低与水流动能的增加是同步的。

由图6及图7可知，侧向进水流冲击轴向水流并与之相混合，产生强烈旋转，在收缩通道前开始剧烈湍流，而后从节流孔喷出。水在进水口流段是平稳加速；在混合腔内3股水流混合旋流，速度发生明显变化；在收缩通道及节流孔处速度迅速变大，在节流孔截面处达到最大值，符合理想的喷雾效果。同时，可以观测到中心节流孔截面的速度要大于侧面节流孔截面的速度，这是由于β角的存在使

图4 喷头内部压力分布图(5 MPa)

图5 喷头内部YZ平面压力分布图(5 MPa)

图6 喷头内部流线图(5 MPa)

得侧面节流孔流道的压力损失较中心的更大。不同压力工况与出口速度的关系如图8所示。

显然，节流孔出口速度随压力提高而显著增大，轴向动量增大，提升了雾滴穿透火焰的能力[9]。

图7 喷头内部YZ平面速度矢量图(5 MPa)

图8 压力工况与出口速度关系

通过节流孔射流速度可计算出喷头的流量，压力工况与流量及流量特性系数K的关系如图9、图10所示。

图9 压力工况与喷头流量关系

图10 压力工况与流量特性系数K的关系

流量特性决定采用该喷头的灭火系统灭火能力的大小，它反映了喷头的容积(或重量)流量随压力的变化值[10]。在5种测试压力下，喷头流量随压力增大而增大，但受限于喷头的内部流道结构，其增大幅度要略小于压力增大的幅度。流量特性系数K随压力小范围波动。

2.5 IV喷头外部流场模拟结果

Ⅳ喷头外部流场模拟结果如图11—13所示。可以看出，这种直射旋流式的结构可以有效增大雾化锥角，雾化锥角θ随测试压力增大而缩小。受喷射压力和背压(液体喷射进入气体环境的压力)之差的影响，高速喷雾的喷射作用会导致环境气体发生强烈的扰动，并使喷雾的锥角缩小，随着压力差的增加和喷射速度的进一步增大，这种影响会越来越大，并造成液束形态的改变[11-12]。整体上，在1.2 MPa压力工况理想状况下七喷嘴细水雾喷头中心截面的雾化锥角最大可达146.3°，喷雾半径及覆盖范围较大。

图11 喷头雾化效果图(2.5 MPa中心节流孔)

图12 喷头雾化效果图(2.5 MPa侧面节流孔)

图13 压力工况与喷头雾化锥角关系

3 结论

笔者设计了一种结构紧凑、内部流道能量损失小的新型直射混合旋流式七喷嘴细水雾喷头，通过数值模拟得出以下结论：

1)合理选择i可以提高节流孔出口喷射速度，从而提高雾化效果，当i=2时雾化效果最好；

2)两个侧面斜向进水口以与侧面内壁面切向成30°角进入喷头的混合腔加强了对轴向水流的冲击，产生强烈旋流，使紊流更为剧烈，喷雾的径向动量更大，从而增大了喷头的雾化保护锥角；

3)七喷嘴的结构布置有效增大了喷头的雾化保护锥角，在1.2 MPa压力工况理想状况下七喷嘴细水雾喷头中心截面的雾化锥角最大可达146.3°，效果理想；

4)流量特性系数K在3.82～3.87之间，足够满足一般工程设计对细水雾喷头的喷雾强度要求。

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(编校：夏书林)

DesignandSimulationofWaterMistwithSeven-nozzle

TANG Bei1, LI Qing-gang1*,CHENG Hua-you2,GE Kai1

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.ChengduWeisiteFire-fightingEquipmentCo.,Ltd,Chengdu611730China)

In order to solve problem that atomization angle of the single- nozzle with water mist is too small and the problem that volume and flow of combined multi-nozzle with water mist is too big, a new type of seven-nozzle with perpendicular incidence rotational flow atomization water mist has been designed by studying the effect of the structural parameters and the type of the nozzle on nozzle atomization and having numerical simulation on the nozzle under optimal structural control and multi-pressure. The simulation result shows that: the new type of seven-nozzle can acquire greater axial and radial momentum; the structure of the seven-nozzle effectively enlarges the atomization angle; under the pressure of 1.2Mpa, the maximum angle can enlarge to 146.3°；the nozzle has enough jetting strength because the flow coefficient K of the seven-nozzle is between 3.82 and 3.87.

seven-nozzle;water mist;parameter optimization；CFX simulation

2015-03-25

流体及动力机械教育部重点实验室基金项目(szjj2013-010);西华大学研究生创新基金(YCJJ2014070);西华大学研究生创新基金(YCJJ201384)。

：李庆刚(1956—)，男，教授，硕士，主要研究方向为流体机械及工程。E-mail:lqg@mail,xhu.edu.cn.

TK7；O351；TB12

：A

：1673-159X(2015)04-0083-05

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.04.017

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