高压细水雾灭火系统关键技术及其灭火性能研究

论文摘要

科学探测与试验发现,卤代烷气体灭火剂对大气臭氧层有很强的破坏作用,臭氧层的破坏将严重威胁人类的生存环境和身体健康。随着人们环保意识日益增强,卤代烷被整体淘汰是不可避免的趋势。细水雾的比表面积极大,能够快速吸热汽化,降低燃烧区的温度和氧气浓度,通过冷却与窒息作用实施灭火。与其它灭火方式比较,高压细水雾灭火技术具有灭火效率高和安全环保等优良特性,是国际上公认的卤代烷消防系统的主流替代技术。因此,开展高压细水雾灭火技术的基础理论及其灭火性能试验研究,对推动高压细水雾灭火技术在我国的发展与应用具有十分重要的意义。本文主要研究内容如下:在综述国内外细水雾灭火技术研究状况和最新发展动态的基础上,分析了细水雾的灭火机理、灭火优势及其有效灭火范围,确定了高压细水雾灭火系统存在的关键技术问题及基本对策。通过分析液体雾化机理和各种雾化方式的特性,根据水雾灭火技术的实际需要,确定了离心式压力喷嘴作为高压细水雾灭火系统的雾化装置。在对喷嘴内部流场和水雾化特性进行理论研究的基础上,归纳出离心式压力喷嘴雾化特性与喷嘴结构参数、压力及流量之间的关系,并应用Fluent软件对喷嘴内部流场进行了数值计算与分析。将多个结构独立的基本喷嘴按照某种方式安装在母体上构成组合喷嘴。组合喷嘴的性能取决于基本喷嘴的性能及其分布规律。根据单喷嘴的喷雾特性及灭火过程对细水雾分布的要求,提出了组合喷嘴的设计方法。组合喷嘴平均雾滴直径大于单喷嘴平均雾滴直径,这说明相邻雾锥间的干涉是存在的。雾锥间的干涉导致一些小雾滴消失,组合喷嘴的雾滴均匀度优于单喷嘴自行研制了高压细水雾灭火喷嘴性能试验装置,为喷嘴性能测试和灭火试验提供了可靠的实验条件。利用智能涡轮流量计、激光粒度测试仪研究了结构参数、工作压力对喷嘴流量特性系数和雾化特性的影响。试验结果表明,增加喷嘴出口与入口的面积比,喷嘴的流量特性系数与喷雾角增大,喷雾形状由实心雾锥转变成空心雾锥。提高工作压力,喷嘴的流量增大,雾滴平均直径有所减小,但流量系数、喷雾角和雾滴均匀度指数变化不大。根据边界层理论建立了雾滴的运动模型,推导出在层流、过渡流及紊流状态下雾滴运动速度和飞行距离计算公式;通过分析火灾环境中雾滴的传热传质规律,确定了雾滴直径与吸热汽化时间的关系。设计过程中,可根据雾滴的初始速度确定雷诺数及流动状态,选择相应公式计算雾滴运动参数与蒸发时间,进而确定相邻喷嘴间允许的最大布置距离和喷嘴的最大悬挂高度。对所研制的喷嘴进行了深入的灭火性能试验,从试验过程可以看到,该喷嘴产生的细水雾对控制固体类与液体类火灾、抑制燃烧速度是非常有效的。火灾规模大小、燃烧区与水雾喷嘴的相对位置变化对灭火效果的影响,都可以归结为喷雾强度作用的结果。保持燃烧区域有足够的喷雾强度,是实现快速可靠灭火的必要条件。增加喷嘴工作压力,喷嘴的喷雾强度、雾滴的初始速度和动量增大,雾滴能克服上升热气流的阻力到达火焰的根部,直接冷却燃烧核心区,灭火效率显著提高。因此,高压细水雾灭火技术是水雾灭火的发展方向。试验结果表明,研制出的高压细水雾喷嘴耗水量低,灭火效率高,已获得中国发明专利。采用该喷嘴构成的高压细水雾灭火系统已通过中国船级社(CCS)的认证,并在我国多条船舶上推广应用。最后,对高压细水雾灭火系统研究中存在的不足和后续工作做了简要的介绍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源和研究目的
• 1.2 细水雾的定义、灭火机理及优越性
• 1.2.1 灭火用细水雾的定义与分级
• 1.2.2 细水雾的灭火机理
• 1.2.3 细水雾灭火技术的优越性
• 1.3 细水雾灭火技术的发展状况
• 1.3.1 细水雾灭火技术的试验研究
• 1.3.2 细水雾灭火技术在国外的发展与应用状况
• 1.3.3 国内研究和应用现状
• 1.4 关键技术分析
• 1.5 本文的主要研究工作
• 2 离心式压力喷嘴的理论分析及设计
• 2.1 雾化方式的确定
• 2.1.1 细水雾灭火系统对雾滴的基本要求
• 2.1.2 细水雾的雾化形式
• 2.1.3 喷嘴的喷雾形状
• 2.2 离心式压力喷嘴理论分析
• 2.2.1 喷嘴结构型式
• 2.2.2 喷嘴内理想流体运动的基本方程
• 2.2.3 旋转式压力喷嘴的压力流量特性
• 2.3 喷嘴结构设计
• 2.3.1 喷嘴关键结构参数确定
• 2.3.2 喷嘴基本结构参数分析
• 2.3.3 离心式压力喷嘴样机设计
• 2.3.4 组合喷嘴设计
• 2.4 喷嘴材料及其加工工艺
• 2.4.1 喷嘴材料选择
• 2.4.2 喷嘴加工工艺
• 2.5 本章小结
• 3 喷嘴内部流场数值模拟
• 3.1 流体力学数值计算基础
• 3.1.1 流体流动基本控制方程
• 3.1.2 湍流模型
• 3.2 喷嘴内流体流动的数值计算
• 3.2.1 FLUENT 软件简介
• 3.2.2 流体流动的数值计算
• 3.2.3 数值计算结果分析
• 3.3 本章小结
• 4 喷嘴性能试验研究
• 4.1 雾滴直径的定义
• 4.2 试验装置
• 4.3 测试结果及影响因素分析
• 4.3.1 测试结果及对比
• 4.3.2 压力对喷嘴性能的影响
• 4.3.3 组合喷嘴与单喷嘴雾化性能比较
• 4.3.4 喷雾距离对雾滴直径和均匀度指数的影响
• 4.3.5 结构参数对喷嘴性能的影响
• 4.4 本章小结
• 5 雾滴的运动、吸热与蒸发
• 5.1 雾滴的运动
• 5.1.1 雾滴的运动阻力
• 5.1.2 雾滴沿水平方向的运动
• 5.1.3 垂直方向雾滴运动
• 5.2 雾滴在火灾环境中的吸热与蒸发
• 5.2.1 雾滴在相对静止的条件下蒸发
• 5.2.2 雾滴在火灾环境中（与热空气有相对速度）的蒸发
• 5.3 喷嘴的喷雾强度与分布
• 5.3.1 单喷嘴的喷雾强度
• 5.3.2 组合喷嘴的喷雾强度
• 5.4 本章小结
• 6 高压细水雾喷嘴的灭火性能试验
• 6.1 单喷嘴细水雾灭火性能试验
• 6.1.1 灭火试验系统
• 6.1.2 灭火试验结果与分析
• 6.2 高压细水雾灭火系统设计
• 6.2.1 细水雾灭火系统的分类
• 6.2.2 压力水驱动装置设计
• 6.2.3 细水雾灭火系统的喷嘴管网布置
• 6.3 喷嘴安装在固定管网中的细水雾灭火性能试验
• 6.3.1 喷嘴耐振动、耐冲击、耐热及耐腐蚀试验
• 6.3.2 灭火试验
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：攻读博士学位期间发表的学术论文、著作及专利