消防泡沫流变特性及流体力学计算方法研究

摘要

泡沫具有密度低、隔热防护性能好和灭火效率高等优点，在消防领域受到广泛关注，主要应用在扑灭石油化工等液体火灾或固体火灾。泡沫流变特性是泡沫流体力学计算方法的基础，泡沫流体力学计算方法的研究为工程应用提供技术支撑。 研究覆盖在物体表面水成膜泡沫随时间的演变规律和析液特性。结果表明：泡沫析液速率分为快速增长阶段（0-200s）、下降阶段（200-600s）和稳定阶段（600s-）。在增长阶段，泡沫形状仍保持球形或椭球形且当量直径不断增大；下降阶段，泡沫从球形或椭球形转变成多面体结构；稳定阶段，泡沫几乎都转变成多面体泡沫。说明泡沫结构和形状是影响析液的主要因素。基于泡沫由气液两相构成，采用加权的方法，提出了一个表观析液速率预测模型。 研究泡沫流变特性随时间的变化过程。结果表明：水成膜泡沫是一种粘弹性流体，在恒定剪切速率下，600s前表观粘度随着时间不断增加，之后，几乎不发生变化，说明泡沫形状、拓扑结构、泡沫液物理性质和体积分数是影响泡沫表观粘度的主要因素。泡沫表现为剪切变稀且符合Herschel–Bulkley模型，表观粘度相对变化率随剪切速率的增大迅速减小，分成两个阶段研究：第一阶段，在低剪切速率下，按非牛顿流体进行研究；第二阶段，在较高剪切速率下，泡沫可近似看成牛顿流体。低剪切速率时，考虑析液对流变特性的影响，得到时间、剪切速率和泡沫类型相关的Herschel–Bulkley修正模型。 用Fluent软件研究压缩空气泡沫在管道内运输。结果表明：用Spalar Allmaras模型模拟压缩空气泡沫直管阻力损失，相对误差在10%以内。压力降模拟值随着入口速度增大而增大，运用达西公式分析沿程阻力系数，得到阻力系数和雷诺数的修正关系式。采用S-A模型和Standard k-epsilon模型分别模拟弯管的压力降，相对误差在40%以内，当弯曲半径较小时，k-epsilon模型模拟效果相对较好，弯曲半径较大时，S-A模型模拟效果较好。该模拟方法对压缩空气泡沫工程应用流体力学计算具有指导意义。

目录

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第1章 绪论

1.1 消防用泡沫灭火剂及结构

1.2 泡沫的析液与演变特性

1.3 泡沫流变学研究现状

1.4流体阻力损失研究及Fluent数值模拟

1.5 本文研究意义和主要工作

第2章 消防泡沫的析液特性与演变规律

2.1 实验条件

2.2 实验方案

2.3 泡沫的演变与析液特性

2.4 本章小结

第3章 泡沫的流变特性研究

3.1 实验条件

3.2 实验方案

3.3 泡沫的流变特性

3.4 本章小结

第4章 泡沫流体在管道内流动阻力损失计算

4.1 泡沫流动数值计算简化依据

4.2 数值模拟理论

4.3 水平管道内泡沫流动阻力损失数值计算

4.4 弯管内泡沫流动阻力损失数值计算

4.5 Fluent模拟单入口多出口工况

4.6 本章小结

第5章 结论

5.1 本文的主要内容及结论

5.2 研究内容展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢