压缩空气泡沫流动压力降研究

刘金革，陈宇曦，韩 焦，石祥建，李建鸿

(1. 常州博瑞电力自动化设备有限公司 江苏 常州 213025；2. 南京南瑞继保电气有限公司 江苏 南京 211102)

0 引言

随着社会经济的迅速发展，消防安全备受关注，消防产品和灭火方式也逐渐精细化。压缩空气泡沫灭火技术是一种新型的灭火技术，与传统负压式泡沫灭火技术相比，其通过往泡沫混合液中注入压缩空气，产生的泡沫具有结构更细腻均匀、稳定性更高等特点，且压缩空气泡沫具有低摩擦阻力、发泡倍数可控的特点，可根据不同的保护对象调整适宜的发泡倍数和泡沫状态，不仅适用于森林防火和高层建筑灭火等A类火灾，而且对油罐、变压器等B类火灾也有很好的适用性。

压缩空气泡沫灭火系统由发生装置、释放装置、连接管道等组成，按结构形式可分为移动式、固定式和半固定式3种型式，其中固定式的发生装置与灭火对象位置相对固定，且与释放装置之间需要通过很长的管道连接。因此，研究压缩空气泡沫在管道中的压力降可有效指导系统设计选型并保障系统安全可靠运行。

压缩空气泡沫在管道中是一种可压缩的非牛顿流体，涉及气液两相流。一般地，两相流相对于单相流要复杂得多，流动压力降也比相同质量流速的单相流大很多，因为单相流过程的能耗主要由流体与管壁摩擦造成，而气液两相流除了与管壁摩擦产生能耗外，气液两相间也存在摩擦损耗，所以存在较大的分析难度[1-3]。陈 旸 等[4]试验研究了泡沫输送流量、气液比等对泡沫输送管路压力变化的影响规律。吴东垠[5]研究了气液两相流流经突缩再突扩管道的压力降，得到管道压力降与两相流干度和气体流量有关。郑成[6]考虑了气液表观流速、空隙率随管子高度变化并推导出垂直管内气液两相流的总压力降表达式。Blauer 等[7]根据管内泡沫层流、湍流和过渡流的流动损失建立了注入压力和摩擦压力的计算方法。林全生等[8]通过数值拟合和试验研究对比压缩空气A类泡沫在不同规格水带中的沿程阻力损失，提出了适用于压缩空气A类泡沫的流体力学数值计算方法，并通过拟合得到沿程阻力系数和显性表达式。王勇凯等[9]运用Fluent数值模拟软件对不同发泡倍数的泡沫在水平管路中的层流流动进行模拟，并搭建了小型试验平台以验证压降模拟结果的可靠性。

本文基于均相法推导了压缩空气泡沫在管道中的流动压力降并试验研究了其随管径、混合比、混合液流量和气液比的变化规律。

1 理论分析

气液两相流的流动情况复杂，在水平管道中可分为气泡流、活塞流、层流、波状流、柱状流、环状流和分散流7种流型，在垂直管道中可分为气泡流、柱状流、泡沫流、环状流和雾状流5种流型。计算方法分为均相法和杜克勒法，其中均相法是假定气液两相流在相同的速度下流动，适用于分散流；杜克勒法则需要考虑气液两相流在管内以不同速度流动的影响。压缩空气泡沫是将气体分散在液相中，类似于一种气体体积分数较大、气泡更细小和数量多的分散流，因此，可采用均相法计算其在管道中流动的压力降，总压力降计算公式为：

式中，PΔ 为总压力降，MPa；fPΔ 为直管段摩擦压力降，MPa；kPΔ 为局部压力降，MPa；HPΔ 为上升管静压力降，MPa。

直管段摩擦压力降计算公式为：

式中，Hλ为管壁的摩擦系数；Hρ为压缩空气泡沫流平均密度，kg/m3；Hu为压缩空气泡沫平均流速，m/s；L为直管段长度，m；D为管道内直径，m。

局部压力降计算公式为：

式中，eL为管件的当量长度，m。

气液两相流流速计算公式为：

式中，TW为压缩空气泡沫总的质量流量，kg/h。

又由流体力学可知，摩擦阻力系数通常用布拉修斯公式计算：

式中，G为压缩空气泡沫总的质量流速，2kg/(m s)⋅ ；µ为压缩空气泡沫的平均黏度，Pas⋅。

故压缩空气泡沫在管道中的流动压力降计算公式为：

从公式(6)可以看出压缩空气泡沫在管道中流动压力降与管道直径D的4.75次方成反比，与管道和管件的当量长度成正比。

2 试验研究

2.1 试验材料

自主研发的压缩空气泡沫灭火装置包括消防水泵、比例混合装置、螺杆式空压机和阀门仪表等，配置电磁流量计测量消防水流量和泡沫液流量，配置涡街流量计测量空气流量，配置压力变送器测量装置出口压力。为保证泡沫混合比可调，采用高混合比精度的计量注入式泡沫比例混合器，混合比从0.5%～6%连续可调。将压缩空气泡沫灭火装置安装在试验平台上，采用泡沫炮作为压缩空气泡沫释放装置，压缩空气泡沫灭火装置出口与泡沫炮之间依次连接DN150、DN125和DN100的不锈钢管道，长度各20m，在变径处设置直读压力表，用于测量不同管径下压缩空气泡沫的压力降，如图1所示。泡沫原液为3%型的水成膜泡沫灭火剂。

图1 压缩空气泡沫试验平台简图Fig.1 Schematic diagram of compressed air foam test platform

试验中读取压力表P1、P2、P3、P4，将P2与P1、P3与P2、P4与P3的差值分别作为压缩空气泡沫在DN150、DN125和DN100管道中的流动压力降。

2.2 结果与讨论

2.2.1 不同管径下压缩空气泡沫的流动压力降

设置压缩空气泡沫灭火装置参数为泡沫混合液流量40L/s，混合比3%，气液比7∶1，测量压缩空气泡沫在DN150、DN125和DN100管道中的流动压力降并与公式6计算结果对比，其变化规律如图2所示。

图2 压缩空气泡沫的流动压力降随管径的变化规律Fig.2 Variation of flow pressure drop of compressed air foam with pipe diameter

由图2可以看出，在压缩空气泡沫灭火装置参数一定条件下，压缩空气泡沫流动压力降随管径的增大迅速减小，DN100管道的压力降约为DN150管道的10倍，DN125管道的压力降约为DN150的2倍，说明压缩空气泡沫流动压力降受管径的影响非常大。试验值与计算值相近且变化趋势相同，说明均相法适用于计算压缩空气泡沫在管道中的流动压力降。各种管径下计算值均比试验值小，这是由于计算值没有考虑到管道变径对压力降的影响。

2.2.2 不同混合比下压缩空气泡沫的流动压力降

设置压缩空气泡沫灭火装置泡沫混合液流量40L/s，气液比7∶1，调节泡沫混合比为1%、2%、3%、4%，分别测得压缩空气泡沫在不同混合比下的压力降，其变化规律如图3所示。

图3 压缩空气泡沫的流动压力降随混合比的变化规律Fig.3 Variation of flow pressure drop of compressed air foam with mixing ratio

由图3可以看出，不同混合比下压缩空气泡沫在管道中的流动压力降基本相同。这是因为泡沫混合液中泡沫液占比很小，对压缩空气泡沫的黏度、密度等物理性能的影响可以忽略，进一步说明压缩空气泡沫在管道中流动压力降与发泡效果无关，可以采用均相法进行估算。

2.2.3 不同流量下压缩空气泡沫的流动压力降

设置压缩空气泡沫灭火装置混合比3%，气液比为7∶1，调节泡沫混合液流量为33.3、36.7、40、43.3L/s，分别测得压缩空气泡沫在不同混合液流量下的压力降，其变化规律如图4所示。可以看出随着泡沫混合液流量增大，压缩空气泡沫在管道中的流动压力降呈线性增大，管径越小其增大的趋势越明显。泡沫混合液流量的增大引起泡沫流速的增大，进而造成压缩空气泡沫在管道中的摩擦压力降增大。

图4 压缩空气泡沫的流动压力降随混合液流量的变化规律Fig.4 Variation of flow pressure drop of compressed air foam with flow rate of mixed liquid

2.2.4 不同气液比下压缩空气泡沫的流动压力降

设置压缩空气泡沫灭火装置泡沫混合液流量40L/s，混合比3%，调节气液比为8∶1、7∶1、6∶1、5∶1，分别测得压缩空气泡沫在不同气液比下的压力降，其变化规律如图5所示。可以看出随着气液比增大，压缩空气泡沫在管道中的流动压力降呈线性增

图5 压缩空气泡沫的流动压力降随气液比的变化规律Fig.5 Variation of flow pressure drop of compressed air foam with gas-liquid ratio

大，管径越小其增大的趋势越明显。气液比的增大引起泡沫流速的增加，进而造成压缩空气泡沫在管道中的摩擦压力降增大。

3 结 论

基于均相法推导压缩空气泡沫在管道中的流动压力降并试验研究了其随管径、混合比、混合液流量和气液比的变化规律。

①基于均相法推导出的计算公式可用于压缩空气泡沫在管道中的压力降的估算。

②管径是压缩空气泡沫的流量压力降的重要影响因素，压缩空气泡沫的流动压力降随管径的增大而迅速减小。

③不同混合比下压缩空气泡沫在管道中的流动压力降基本相同，说明压缩空气泡沫在管道中流动压力降与发泡效果无关。

④随着泡沫混合液流量或气液比的增大，压缩空气泡沫在管道中的流动压力降呈线性增大，管径越小其变化趋势越明显。