消防末端试水装置关键部件参数化设计及优化*

卓礼杰，胡亚辉▲，胡旭财，沈 杰，孙新杰，李 俊

(1.天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津300384；2.天津理工大学，天津300384；3.天津市瑞克来电气设备制造有限公司，天津300400)

0 引言

自动化消防喷水灭火系统在建筑中的应用越来越广泛，而末端试水装置在检测整个自动化喷水灭火系统是否能正常工作中起到了非常重要的作用。目前国内外的自动喷水系统的末端试水装置多是由表前阀门、压力表、试水接头等组成，安装在最不利点处[1]。臧俊、邱志刚等人[2]发明设计了一种消防自动末端试水系统，这种系统能够利用物联网进行远程实时监控。李俊[3]发明了新型末端试水装置，既可以防止试水时从喷头流出的水外溅，工作人员又可以实时观察水流的情况。本文借助UG对末端试水装置进行了三维建模，并利用其二次开发功能对喷嘴进行了参数化设计，方便后续设计操作。借助FLUENT对整个装置进行了仿真分析，确定了喷嘴最佳的出口直径，使其满足《自动喷水灭火系统设计规范》的设计要求。

1 喷嘴出口直径计算模型的建立

根据伯努利方程，结合液体的质量守恒方程[4]可推算出喷嘴出口直径的计算方程为：

(1)

图1 喷嘴示意图

式中：d1为阀体入口处直径，mm；Q为每个实验压力下的规定流量，m3/h；P1为入口处实验压力，Pa。

2 消防末端试水装置参数化模型

2.1 末端试水装置三维建模

利用三维建模软件UG对末端试水装置进行了三维模型的建立，爆炸图如图2，装配图如图3。

图2 末端试水装置爆炸图

图3 末端试水装置装配图

2.2 关键部件喷嘴的参数化建模

该试水装置的主要部分由喷嘴和阀体组成，现对喷嘴进行参数化设计[5]。编写喷嘴参数化程序时，首先在GreenPad下书写源代码，取名penui．grs存盘，然后到UG NX10.0提供的GRADE下进行编译。打开GRADE后先设置工作文件夹为E：/uggrip，然后选择Compile对编写完成的penzui.grs文件进行编译，生成名为penzui.gri的编译文件，再选择Link对其进行链接，生成可执行的名为penzui.grx文件。喷嘴部分参数化程序如下：

图4 喷嘴参数化设计框

至此，喷嘴建模完成。经编译链接后的对话框如图4。

3 人机交互界面的设计

3.1 基于MenuScript的菜单栏设计

设置好用户开发环境后，打开在F：/UG/startup中的.men文件，用MenuScript语言编写菜单栏，部分程序如下：

编辑完成后保存并运行UG NX10.0便可以看到用户自己编辑后添加的用户自定义的末端试水装置参数化设计系统，如图5。

图5 末端试水装置参数化设计系统

3.2 基于NX产品模板PTS的对话框优化设计

在UG NX10.0中，用户可以通过启动→所有应用模块→PTS Author进入产品模板设计页面。要进行产品模块设计时，首先把产品模型打开，然后进入模板设计页面。在PTS浏览器中选择指定参数变量，添加至产品模板工作室的接口中。检查无误后对文件进行保存，退出PTS Author任务环境。再次打开编辑后的文件，进入装配导航器页面右键点击喷嘴文件选择编辑可重用组件即可进入用户编辑界面。

3.3 人机交互界面的实现

图6 输入参数生成喷嘴模型

打开UG软件，新建模型，选择菜单栏中的 “末端试水装置”，然后在下拉菜单中选择“喷嘴”，会弹出构建喷嘴的对话框，根据所需填写参数，点击“确定”便可生成对应的喷嘴模型，如图6。

4 基于FLUENT的喷嘴优化设计

4.1 FLUENT流体仿真实验

使用UG对该模型的内部通道进行作用面的提取，再通过ICEM网格划分软件对模型进行网格划分，后导入Fluent中设置参数，进行1000次的迭代运算，可以通过FLUENT直接计算出口流量的大小[6-7]，记录数值。图7和图8即为仿真后模型的压力和速度分布云图。

图7 末端试水装置压力分布图

图8 末端试水装置速度分布图

在规定压力下流量的允许范围如表1所示。以喷嘴出口直径为11.3 mm为中心进行了多组实验，并将满足实验要求的数据记录，如表2所示。

表1 规定压力下流量的允许范围

表2 仿真实验数据(流量/(kg/s))

由仿真实验数据可以看出，喷嘴出口直径在11.5 mm左右时为最佳。因此本文取优化直径11.5 mm为中心设计中心复合实验来验证最佳直径。

4.2 中心复合试验的设计

本次实验设计决定在中心点处进行5次实验，取α值即中心设计中每个轴点距中心点的距离为1.41421，设计一个2因素5水平的中心复合试验，实验次数为13次。中心复合实验的设计及其实验结果见表3，利用Minitab可以得到阀体入口压力P与喷嘴出口直径D对流量Q之间的响应曲面图和等值线图，如图9和图10。

表3 中心复合实验数据

图9 曲面图 图10 等值线图

结合两图分析可知，当喷嘴小于11.5 mm时虽然流量仍在允许范围内，但却小于理论值。当喷嘴大于11.5 mm时，在相同的压强情况下出口流量会减小，当压强继续增大后流量值会超过理论值甚至大于允许范围，则喷嘴失去设计意义。

以上述实验结果为基础对仿真实验结果进行拟合分析，建立响应值Q与自变量P和D的预测模型，借助Minitab得到的回归方程如下：

Q=-3.45-0.66P+0.58D-3.694P2-0.019D2+0.625P×D

(2)

式中：P为实验入口压力，MPa；D为喷嘴出口直径，mm；Q为末端试水装置出口流量，kg·s-1。

4.3 末端试水装置实验验证

实验平台由压力泵机、水箱、若干管道、压力表、阀门、流量表等器材组成。进行实验时给泵机通电，水流通过泵机加压充满管道，此时即可进行末端试水装置的实验。通过实验得出的出口流量相对理论流量的平均误差均在4%以内，满足《自动喷水灭火设计规范》的设计要求。图11为实验装置图，实验数据如表4。

图11 实验装置图

表4 出口流量实验数据(m3/h)

5 结语

1)利用UG建立了该末端试水装置的三维模型，对喷嘴进行了参数化设计并设计了菜单栏，提高了工作效率，减少了设计时间。

2)设计了一个中心复合试验并使用ANSYS FLUENT进行了仿真实验。对仿真实验数据进行了响应曲面分析，确定了最佳喷嘴出口直径。

3)建立了流量Q与入口压强和喷嘴出口直径D的回归方程。

4)以最佳喷嘴出口直径为11.5 mm的模型进行了实际实验检测，该末端试水装置满足设计规范。