非贮压手持式灭火器气固两相流数值模拟仿真研究

曹书华，庄弘炜，余鹏飞



非贮压手持式灭火器气固两相流数值模拟仿真研究

曹书华，庄弘炜，余鹏飞

（武警工程大学，陕西西安，710086）

对非贮压手持式灭火器的气固两相流进行研究，运用Flunet软件进行数值模拟仿真，通过气体速度矢量图和颗粒速度流线图，分析了两相流体在筒体内和外的运动状态，并通过试验加以验证。结果表明仿真与试验符合程度较高，本研究为灭火器结构优化提供了理论指导。

灭火器；气固两相流；仿真；试验

非贮压手持式灭火器是一种新型的反自焚灭火装备，其原理为产气药剂燃烧生成的烟火型气溶胶气体将筒体内部的超细干粉全部稳定、持续、迅速地喷发出去，作用于人体或其它物体的火焰燃烧表面。由于超细干粉的喷射是一个气固两相流运动，其喷射流场的特性是影响灭火效果的关键。因此，需要对非贮压手持式灭火器的气固两相流进行研究，为灭火器性能改进和实战应用提供技术指导。

1 气固两相流数值模型分析

非贮压手持式灭火器使用时，其灭火剂喷射过程是一种具有复杂的颗粒运动规律的稠密气固两相流动，采用离散单元法（Discrete Element Method，DEM）对气固两相流流场进行描述[1]，即对气相流体采用宏观尺度上的描述，在欧拉坐标系下考察流体的运动情况，对固相颗粒采用颗粒尺度上的描述，在拉格朗日坐标系下考察颗粒的运动情况[2-5]。

（1）气相控制方程

根据质量守恒定律和牛顿第二定律，在欧拉坐标下描述气相性质。

（2）固相控制方程

灭火剂颗粒在流场中的运动可以分作平动运动和转动运动，并进行非匀速运动。为了更准确描述灭火剂颗粒的运动状态，把整个灭火剂颗粒的非匀速运动看作无数个匀速运动组成，即用微分的概念，将灭火剂颗粒在每一个非常小的时间间隔△内看作匀速运动[6-7]。可得，灭火剂颗粒在三维坐标中的平动和转动方程：

式（2）~（8）中：为灭火剂颗粒位移；f为灭火剂颗粒的碰撞力；f为气体对灭火剂颗粒的总作用力；为流场的压力梯度；V为单个灭火剂颗粒的体积；为灭火剂颗粒转动的角速度；T为灭火剂颗粒受到的转动合力矩；为灭火剂颗粒的转动惯量。

2 气固两相流数值模拟仿真过程

（1）几何模型建立：根据筒体内腔的尺寸，建立几何模型的主体，长162mm，直径47mm，喷口处内锥角为130°，喷口直径7mm。对产气发生器结构进行忽略，改为在模型底部设置一个进气口。已知产气发生器上有8个产气孔，每个孔直径5mm，因此进气口大小近似为8个产气孔大小之和，其直径为17mm。器体模型如图1所示。

图1 筒体模型

由试验观察，将流场区域大小设置为4m×3m ×3m，灭火器喷口方向为水平方向。整个计算区域模型如图2所示。

图2 计算区域模型

（2）网格划分：整个非贮压手持式灭火器气固两相流场的几何模型具有复杂的外形，因此用T-grid方法对其进行四面体网格划分。为了更精确地研究灭火器的气固两相流动，在划分计算区域网格时，最大体积约8.5×10-3m3，最小体积约6.3×10-11m3，总数约38万左右。

（3）求解器选择：由试验已知灭火器的喷射持续时间约为1.13s，结合其喷射距离，可知两相流动状态为低速流动。所以，模拟采用基于压力的求解器。该求解器适用于中等可压缩流动，适合用于低速流动的CFD模型。FLUENT的求解流程图如图3所示。

（4）模拟步骤：模拟灭火剂从灭火器筒体中喷出分为2个步骤：第1步是进行稳态模拟，获得气流场；第2步是在已经获得的气流场中加入离散相，模拟追踪离散相颗粒的运动轨迹。

图3 FLUENT求解流程图

稳态模拟计算时，采用标准-湍流模型[3]，壁面的流动也采用标准壁面方程。气体入口给定特定的气体组分以及速度大小，气体组分按照“12.1%K2O、26.6%N2、24.7%H2O、25.2%CO、2.7%CO2”在“Species”中给出。速度大小为11.5m/s，这是能将灭火剂颗粒在1.13s左右完全从灭火器筒体中吹完的速度大小。初始时刻灭火器筒体和计算区域都是空气。边界条件设置时，将计算区域的地面设成“wall”，代表地面；计算区域其它面则都设成0压力的压力出口，也即自由开口，模拟空气边界；灭火器筒体设成“wall”，表示固体壁面。松弛因子为：压力0.3，动量0.7，其它保持默认大小。

稳态模拟收敛后，加入离散相进行瞬态模拟。离散相以“Injections”加入，选定面喷射源，再选择整个灭火器器体作为喷射源。灭火剂颗粒初速度为零，平均直径大小为15μm，总质量150g。颗粒追踪选择离散随机游动模型。拽力模型选用“Spherical”，离散相的物理模型选用“Saffman Lift Force”和DEM碰撞模型，这是由于灭火剂颗粒较轻，会受到空气的浮升力作用，同时颗粒之间也会有碰撞，模拟考虑器性碰撞。此外，将重力项打开，加速度大小设为9.81m/s2，方向竖直向下。瞬态模拟的时间步长为0.01s，也就是每隔0.01s对颗粒进行一次追踪，得出运动轨迹及速度大小等情况。

（5）求解控制压力速度耦合采用“SIMPLE”算法。空间离散方法：梯度为“Least Squares Cell Based”，压力采用“Standard”，动量采用二阶迎风离散，其它都采用一阶迎风离散。

3 模拟结果及分析

以往对非贮压手持式灭火器的气固两相流研究，局限于检测条件的不足，主要通过试验观测的方法，对灭火剂的射流形态与灭火器的灭火效能进行分析。通过气固两相流的数值模拟，可以对灭火剂颗粒的运动状态有一个更深的认识。

从图4器筒竖直截面上的气体速度矢量图可以看出，动力源气体进入器筒后，与超细干粉灭火剂颗粒混合，在灭火剂颗粒间流动，给予了灭火剂颗粒一定的动量。气固两相流在中轴线上的运动最为激烈，大体向着喷口方向运动。除此之外，流体在器筒壁面上发生碰撞，反弹后加剧了颗粒间碰撞运动，在局部形成更无序的状态，破坏了两相流体向喷口处运动的轨迹[8]。由图5流场中的气体速度矢量图可以看出，气体裹挟了灭火剂粉体从喷口喷出后，在空气中做扩散运动，当扩散到最大状态后，气体原本具有的动量耗散干净，开始做分子热运动。

图4 筒体竖直截面上气体速度矢量图

图5 流场中的气体速度矢量图

图6 灭火剂颗粒速度流线图

由图6灭火剂颗粒的速度流线图可以看出，灭火剂颗粒在喷射过程中，射流中心的集束性非常强。这样不利于超细干粉灭火剂的散布，覆盖不到足够的面积，使灭火剂在某一小区域过于集中，降低了其他区域的灭火剂颗粒浓度，以至于达不到预期的灭火效能。整个模拟过程中灭火剂颗粒的喷射持续时间为1.07s，与实际喷射持续时间1.13s非常接近，两者相差4.4%，说明仿真结果与试验很相近，在可接受误差范围之内。

4 试验验证

试验过程中，在喷口处设置一块黑色幕布作为背景，幕布上每隔1m有一条黄色标示带，用以提高射流分辨程度。将非贮压手持式灭火器气固两相流模拟得到的灭火剂颗粒散布图与高速摄影机拍摄到的灭火器试验喷射图进行比较，如图7所示。

在非贮压手持式灭火器启动后，产气发生器反应生成热气溶胶气体并送入器筒内，气体积蓄并产生压力，当压力突破喷口薄膜所能承受的压力值后，气体裹挟着超细干粉灭火剂喷射而出。在外部大气阻力和内部气流推动的作用下，灭火剂射流的边界产生了湍流运动，边界变得不稳定，并形成“羽流现象”。当灭火剂粉体的动量越来越小，直至消耗完毕后，射流前端的灭火剂颗粒主要被空气携带着随之流动，受气粉两相流体的后续推动以及灭火剂颗粒的分子运动而继续向前扩散。根据模拟射流与试验射流之间的比较，两者有近似相同的流体形态变化。因而，对非贮压手持式灭火器的气固两相流仿真具有可信性，可以作为下一步研究的方法和手段。

5 结语

本文应用FLUNET软件实现了非贮压手持式灭火器的气固两相流场模拟，通过气体速度矢量图和颗粒速度流线图，分析了两相流体在筒体内和外的运动状态。结合高速摄影机采集的灭火剂颗粒射流图像，说明了仿真与试验的吻合程度较高，用仿真模拟代替试验研究的方法是可行的，为下一步研究提出新的研究方法和思路。

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[6] 熊源泉,袁竹林,章名耀.加压条件下气固喷射器输送特性的三维数值模拟[J].化工学报,2004,35(10):1 638-1 643.

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Numerical Simulation of Gas Solid Two Phase Flow in A Non Storage Pressure Hand Held Fire Extinguisher

CAO Shu-hua，ZHUANG Hong-wei，YU Peng-fei

（Engineering University of PAP, Xi’an, 710086）

Based on the study of gas-solid two-phase flow of the non pressure storage portable fire extinguisher, the gas velocity vector and particle velocity streamlines were applied to analyze the motion state of two-phase flow in and out of the cylinder body, by numerical simulation based on Flunet simulation software, as well as the correctness of the simulation results were verified by test. It showed that the results of simulation are accordance with that of test, which provide theoretical guidance for structure optimization of fire extinguisher.

Fire extinguisher；Gas-solid two-phase flow；Simulation；Test

1003-1480（2017）02-0049-04

TQ567.9

A

2017-02-28

曹书华（1992 -），男，在读硕士研究生，主要从事非致命武器研究。