典型机舱1301灭火系统管网流速及浓度分布仿真计算

，，2，，，2

(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；2.国家水运安全工程技术研究中心，武汉 430063)

1982年马岛战争中英国“谢菲尔德”号驱逐舰的沉没，使得各国都注意到了船舶火灾的特殊性和防止船舶发生火灾的重要性[1]。卤代烷1301灭火系统一般有2个研究方向：①卤代烷1301的毒性对人体的影响，在这方面，国外做了大量的试验和报导；②灭火剂在管道内的两相流动，包括管道压降和喷射时间的计算。

有学者对卤代烷1301在管道内的流动进行了分析，指出计算管道压降的关键在于管道内灭火剂密度随压力的变化关系[2]。哈龙的设计计算是为了给防护区提供规定的灭火剂浓度，论述了温度、压力和两相流对哈龙1301在管道中的流动状态的影响[3]。有学者做了大量卤代烷1301灭火系统释放的试验，记录了管道压力、喷嘴流量、喷射时间等重要参数[4]。以飞机上的卤代烷1301灭火系统为对象，利用FLUENT软件对灭火剂的流动特性进行了数值模拟，模拟结果表明，管径对于灭火剂的释放影响很大[5]。

尽管军事领域并不属于禁止使用哈龙灭火剂的规定场所，但国家政令的颁布使得国内消防学者对于1301灭火系统的设计、1301灭火剂在管道内的流动特性等方面的研究越来越少。有学者从理论上推导出卤代烷1301管道压降的计算公式，在随后发表的论文中介绍了不同种类的1301灭火系统，并根据1301灭火剂的流动特性，提出了管路布置方法，供设计人员参考[6-7]。文献[8]详细论述了船用1301灭火系统的设计和比较实用的管网水力计算方法，并给出了图表与数据，方便设计者参考选取，还指出，船用1301灭火系统在喷射终了时，储液瓶内的驱动气体压力不应低于1.5 MPa，且进行管路设计计算时的喷嘴压力应不小于1.4 MPa。文献[9]对卤代烷1301进行了喷射试验研究，对防护区(航天器)内的温度、压力等参数进行了测量。

文献[10]对常见的7种气体灭火系统进行了比较，并结合各自特点，对如何选择合适的气体灭火系统做了比较详细的分析。文中指出，虽然我国在2010年之后不再生产1301灭火剂，但并不表明将会停止1301灭火剂的使用，建议不要盲目地采用替代的灭火剂而减少1301灭火剂的使用，因为这样会降低某些必要场所(如飞机、舰船等)的消防能力[11]。

从上述研究中可以发现，目前针对卤代烷1301的管网压力计算方法主要为实验和理论推导，随着数值仿真技术的发展和数值仿真(CFD)的大规模应用，探索采用CFD方法研究管网内压降将是以后研究的主要方向。机舱作为船舶火灾案例的重要防护对象[12]，建立典型机舱管网物理模型，构建了高精度结构化网格，采用Fluent平台进行数值仿真计算，得到管网流速和灭火剂密度在不同储压罐压力情况下的分布规律。

1 卤代烷1301灭火系统

卤代烷1301灭火系统是气体灭火系统的一种，以在常温、常压下呈现气态的卤代烷1301作为灭火介质，通过气态卤代烷1301在整个防护区内或保护对象周围的局部区域建立起灭火浓度实现灭火。

1.1 卤代烷1301的理化性能

卤代烷1301属于烷烃类有机化合物，是哈龙灭火剂的一种。1301这4个数字分别代表烷烃分子中碳、氟、氯、溴各原子的个数，其分子式为CF3Br，名称为三氟一溴甲烷。在常温常压下，卤代烷1301是一种无色无味的气体，属于易液化气体型灭火剂，其主要物理性质见表1[13]。

表1 卤代烷1301的主要物理性质

卤代烷1301是一种能够用于扑救多种类型火灾的有效灭火剂，具有灭火快、不导电、耐贮存、腐蚀性小、毒性较低、灭火后不留痕迹等优点，其优良灭火性能使得卤代烷1301灭火系统在上个世纪末已广泛应用于图书、档案、美术、文物等大量珍贵资料的库房、散装液体库房、电子计算机房、通讯机房、变配电室等场所。

1.2 卤代烷1301喷射特性

1)瓶内气体的膨胀。卤代烷1301在储液瓶中呈液态保存，但仅靠卤代烷1301的蒸气压无法在规定的时间内将大部分灭火剂输送到防护区，需要利用氮气将灭火剂加压储存。系统未运行时，瓶内的氮气与液态灭火剂处于气液平衡状态，瓶内气相区为氮气和1301蒸气的混合气体。一旦火灾发生，阀门打开，灭火剂在高压气体的推动下进入管网，此时储液瓶内的气体膨胀，压力下降，少量1301蒸发，液态灭火剂中溶解的氮气分离出来；当液态灭火剂全部喷入管网中后，瓶内气体的压力依旧很高，气体继续膨胀并进入管网；大部分灭火剂喷出系统后，气体通过喷嘴喷出。

2)管道中灭火剂的流动。由于灭火剂的物理特性，其在管网中的流动很复杂。卤代烷1301灭火剂在平时加压储存在储液瓶内，发生火灾时被施放到管网中经喷嘴喷射入防护区进行灭火。在常温下，卤代烷1301灭火剂具有较高的蒸气压，21 ℃时其蒸气压达1.47 MPa，在常温常压下，卤代烷1301极易汽化。卤代烷1301在管道中流动需要克服沿程损失及局部阻力损失，管段内的压力是不断下降的，压力的降低，使得卤代烷1301迅速地汽化而膨胀，造成流量迅速减小。此外，用氮气加压会使部分氮气溶解到液态卤代烷1301中，氮气的溶解量与其压力和温度有关，压力增高则溶解量增加。在施放卤代烷1301的过程中，由于压力不断下降，溶于液态卤代烷1301中的氮气会部分分离出来。

2 数值计算

2.1 设计参数与边界条件

考虑到文中的算例有射流的情况，并且为变截面管道内流动，流动过程有二次流产生，采用Realizablek-ε模型较为合理。

实际工程中，管段中的流体包括液态卤代烷1301、气态卤代烷1301以及从溶液中分离出来的氮气，因此灭火剂流动呈两相流动。对于两相管流，目前的流体仿真软件并不能准确计算出真实结果，对于有蒸发现象的两相管流更加困难，须对物理问题进行简化。对于灭火剂管网流量分配特性的研究，只需关注各管段的流量，而不需要关注管道中气液两相的流动细节，将此问题简化为液态卤代烷1301在管道中的单相流动。

计算中使用的计算参数包括液态卤代烷1301的密度及黏度，其数值可从规范中查得，见表2。为加速收敛，使用质量流量入口边界条件，入口流速为60 kg/s(该值为设计平均流量)，出口(喷嘴处)使用压力出口边界条件，出口压力为100 kPa。液态卤代烷1301的密度较大，因此考虑重力。

表2 液态卤代烷1301计算参数

2.2 几何模型和网格模型

图1为后机舱炉舱管网的几何模型，图中的1、2、3点分别是主管道在第二层的分流三通、第三层主管的分流三通和管道与喷嘴的连接处，其网格局部放大图见图2。

图1 后机炉舱管网整体模型

图2 管网细节处网格局部

对于圆形管道，为提高网格质量，需要对所有block进行O-block划分，管网进口处和喷嘴处的O-block生成的网格见图3。

图3 管网O型网格示意

网格总数约为200万，网格质量方面，使用QUALITY算法，其质量达到0.4以上，远超过商业流体软件的0.1下限。

3 计算结果

3.1 管道系统内的压力分布

图4为管道内的压力分布，可以看到第一层管道距离储压瓶最近，内部的压力最大，每通过一个交叉口后，管道内的压力均有明显降低。从图中可以看出，最大压力为449.01 kPa；管道流动中出现了负压，这是液体单相流动的正常现象，在弯管或三通处会出现绕流，出现负压区。在灭火剂沿管网流动的过程中，由伯努利方程可知，管道压力转化为灭火剂的流速，因此压力沿管道越来越低。

图4 管道流动压力分布云图

3.2 管道流动的速度分布

图5为灭火剂在管网流动的速度分布云图，图6为三通点1、2、3、4云图及流线的局部放大图。整个管网最大流速约为20 m/s，与压力分布不同，沿着流动方向，灭火剂的流速并不一定一直增加，虽然管径越来越小，但由于三通分流，各管段的流量也在不断减小。

图5 管道流动速度分布云图

1点为三通处物理模型对称，但速度云图及流线并不完全对称，因为来流方向的管段过短，只有0.6 m，使得来流灭火剂的速度方向并不与管段平行，造成了侧管速度云图及流线的不对称性；2点为主管道第一次三通分流，分流后管径减小，直管与侧管的灭火剂流速均增大，由于惯性的作用，侧管内靠直管一侧的灭火剂流速较大；3点为第三层管网主管的三通分流，从流线可以看出，三通处出现明显的二次流，两侧出现漩涡，流体呈湍流状态，是三通处压力降低较快的原因，在水力计算中，计算压降时必须加上管段附件引起的局部阻力压损；4点为三通的侧管管段10-18，从图6中可见，管径的减小使得灭火剂流速增大，但侧管的分流作用使得灭火剂流速减小。

图7为典型位置流线，3点附近管道内灭火剂出现二次流，在分叉位置出现了明显涡结构。

图6 管网三通处的速度云图及流线图

图7 典型位置流线

图8 第二层管段的速度云图

图8为第二层管网速度分布云图，图9为第三层管网速度分布云图。第二层管网内灭火剂最大流速为14.69 m/，第三层管网内灭火剂最大流速为20.59 m/s。在分流三通和喷嘴与管段的连接处，有一小段管段上的灭火剂流速较大，由于管径的减小使得灭火剂流速增大；由于侧管或喷嘴的分流，灭火剂流速减小。

图9 第三层管段的速度云图

3.3 各管段流量的结果分析

在CFD-POST中取每个管段截面上的质量流量，并与各管段设计流量相比较，其值见表3。其中相对误差为(计算流量-设计流量)/设计流量×100%，其值为正说明计算流量大于设计流量，其值为负则计算流量小于设计流量。从表3中可以看出，除管段10-18以外，各管段流量的相对误差值均在5%之内，对于工程问题，误差值在允许的范围之内，说明各管段管径的选取较为合理；管段10-18的计算流量为4.39 kg/s，比设计流量(4 kg/s)大9.65%，在实际工程中可以减小该管段的管径，以减小流量。

3.4 管道内压力与流体密度的关系

管道内流动的灭火剂密度与管道压力有关，图10为不同贮存压力和不同充装密度下，灭火剂密度与管道压力的曲线图。

表3 各管段设计流量与计算流量值的比较

图10 不同管道压力下灭火剂的密度

1)相同贮存压力下，充装密度越大，一定管道压力对应的灭火剂密度越大，因为充装密度越大，液态灭火剂中溶解的氮气量就越少。

2)相同充装密度下，贮存压力越大，一定管道压力对应的灭火剂密度越小，因为贮存压力越大，液态灭火剂中溶剂的氮气量就越多。

4 结论

建立后机炉舱管网的三维物理模型，计算后机炉舱灭火系统设计流量工况下液态卤代烷1301在管网内的流动，得出整个管网的压力及速度分布云图，利用CFD-POST计算各管段的流量，并与设计流量作比较。计算结果表明，管段10-18的计算流量比设计流量稍大，在实际过程中应当减小该管段的管径以减小流量；其他管段的计算流量与设计流量偏差不大，其误差值在允许的范围之内，说明各管段管径的选取较为合理。