直通式旋流细水雾喷嘴雾化理论分析及灭火实验研究

论文摘要

随着哈龙灭火剂的限用和面临的淘汰,细水雾灭火技术以其无环境污染、灭火迅速、耗水量低、对防护对象破坏性小等特点展示出广阔的应用前景,目前已成为火灾科学前沿研究热点之一。国内现已使用的细水雾灭火系统,其系统压力多属高压范畴,因高压系统结构复杂、工程造价高,已严重影响了细水雾灭火技术的推广应用。在各种细水雾灭火系统中,雾化喷嘴是系统的核心部件之一,喷嘴雾化性能的优劣直接影响着所设计的灭火系统能否满足不同灭火场合的使用要求。目前国内开发的高压雾化喷嘴大都结构复杂,运行参数多且难以控制。因此,研制出一种体积小、重量轻、结构简单,加工、安装方便,在中、低压范围内雾化效果较好的单相细水雾喷嘴,对细水雾灭火技术在我国的推广应用意义重大。在国内火灾科学研究领域,目前尚没有人将喷嘴结构-雾化机理-雾场参数-灭火效果作为一个系统工程开展研究,本研究通过大量的实验获得第一手资料,进而对喷嘴结构、雾化机理、雾场参数、灭火效果之间的关系进行深入探讨,完成的研究工作及取得的主要进展如下:1.本课题在研究过程中,首先设计出了一种结构新颖的中、低压旋流雾化喷嘴,然后采用理论研究、数值模拟、试验验证的方法,对其结构参数进行优化。通过对喷嘴结构和雾化特性参数之间关系的探讨,建立了相应的理论模型,借助于FLUENT软件对喷嘴内外部流场进行数值模拟,研究喷嘴结构参数对雾化性能的影响,为参数优化提供理论依据。2.从雾滴在空气中的受力运动分析入手,建立了雾滴运动方程。针对典型滴径及不同出口初速度的雾滴运动状况进行了数值计算,得出了细水雾雾滴的基本运动规律,确定了终端速度与滴径呈平方关系和线性关系的分界直径为80μm。3.在数值模拟的基础上,进行喷嘴的冷态雾化试验,对模拟结果进行了验证。研究结果表明,经优化设计的中低压单流体直通旋流雾化喷嘴雾化效果良好,在众多的消防灭火场合完全可以替代现有的高压雾化喷嘴和两相流雾化喷嘴,可大幅降低细水雾灭火系统初期投入,同时也使系统的运行安全性得以提高。4.开展了细水雾在外部风流扰动下灭火效果的模拟实验研究和数值模拟。建立了外界风流作用下细水雾的灭火模型,并且进行了验证,结果表明细水雾在无风和扰动风速下均能将火扑灭,在临界风速下不能将火扑灭。5.建立了试验平台,开展了细水雾熄灭受限空间煤油池火试验研究,考察了通风状况、预燃时间及工作压力等因素对灭火时间的影响,得出受限空间燃烧的池火火焰存在核心反应区、通风控制区和燃料控制区。通过试验和定性分析,提出细水雾熄灭受限空间油池火的主导机理为气相冷却和火焰冷却,通过试验验证了室内火灾熄灭分析模型、火灾熄灭理论、临界水流量计算模型等基础假设的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 液体射流破碎机理的研究
• 1.2.2 旋流喷嘴的特性及其射流运动规律的研究
• 1.2.3 细水雾喷嘴研究的历史与现状
• 1.3 本文研究目标
• 1.4 本文研究内容及技术路线
• 第2章 喷嘴结构的初步设计
• 2.1 目前国内各行业所用喷嘴的主要型式及存在的问题
• 2.1.1 喷嘴的种类与特点
• 2.1.2 国内喷嘴研制方面目前存在的问题
• 2.1.3 目前国外水雾喷嘴的主要型式
• 2.2 本研究所选择喷嘴型式及主体结构设计
• 2.3 旋流喷嘴结构尺寸的初步设计
• 第3章 旋流喷嘴内部流场分析及数值模拟
• 3.1 旋流喷嘴内部流场分析
• 3.1.1 喷嘴内流动概述
• 3.1.2 速度分布
• 3.1.3 压力分布
• 3.2 旋流喷嘴内部流场的数值模拟
• 3.2.1 喷嘴内部流场数学模型
• 3.2.2 数值求解方法
• 3.3 模拟结果与分析
• 3.3.1 螺杆结构尺寸对雾化特性的影响
• 3.3.2 喷嘴主体结构尺寸对雾化特性的影响
• 3.4 喷嘴雾化角的影响因素
• 3.5 喷嘴的阻力特性及影响因素分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 旋流喷嘴外部流场分析与数值模拟
• 4.1 旋流喷嘴的外部流场分析
• 4.1.1 雾滴运动的轨迹方程
• 4.1.2 雾滴的运动速度
• 4.1.3 雾滴的终端速度
• 4.1.4 雾滴运动的位移
• 4.2 旋流喷嘴外部流场的数值模拟
• 4.2.1 模型选择
• 4.2.2 网格划分
• 4.2.3 边界条件
• 4.3 模拟结果与分析
• 4.3.1 外部雾场模拟
• 4.3.2 模拟结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 旋流喷嘴雾化特征的冷态实验
• 5.1 细水雾发生系统的组成简介
• 5.2 主要测试设备及工作原理
• 5.2.1 雾滴粒径大小、分布及速度测量
• 5.2.2 雾场锥角、流量的测量
• 5.3 实验过程
• 5.3.1 实验组数的确定
• 5.3.2 实验步骤
• 5.4 测试结果及分析
• 5.4.1 测试结果
• 5.4.2 测试结果与数值模拟结果的对比及分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 旋流喷嘴外部雾场的抗扰动分析及实验研究
• 6.1 雾滴飘移机理及影响因素分析
• 6.2 雾滴飘移实验的理论依据
• 6.3 扰动实验测量平台
• 6.3.1 可控扰动装置——风洞
• 6.3.2 实验用喷嘴及相关参数
• 6.3.3 扰动实验系统的组成
• 6.4 实验方法及风洞环境设计
• 6.5 扰动实验结果与讨论
• 6.5.1 雾滴大小与雾场抗扰动关系的研究
• 6.5.2 不同风速下雾场抗扰动能力的研究
• 6.5.3 飘移雾滴的水平分布规律
• 6.6 本章小结
• 第7章 旋流喷嘴细水雾场灭火的热态实验
• 7.1 前言
• 7.2 煤油池火燃烧特性
• 7.2.1 煤油池火燃烧速率
• 7.2.2 池面的热平衡
• 7.3 细水雾熄灭煤油池火实验
• 7.3.1 实验装置
• 7.3.2 细水雾基本参数的测量及实验方法
• 7.4 实验结果与分析
• 7.4.1 通风状况对灭火时间的影响
• 7.4.2 预燃时间对灭火时间的影响
• 7.4.3 工作压力对灭火时间的影响
• 7.4.4 细水雾作用过程中火焰温度的变化
• 7.4.5 细水雾与火焰相互作用的分析
• 7.4.6 细水雾灭火时烟气中气体成分变化
• 7.4.7 细水雾作用过程中烟气温度的变化
• 7.4.8 细水雾熄灭受限空间油池火主导机理分析
• 7.5 本章小结
• 结论
• 1. 论文的主要研究成果和结论
• 2. 论文的主要创新点
• 3. 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文及科研成果