气泡雾化细水雾灭火有效性模拟研究

摘要

细水雾作为哈龙替代品之一，由于灭火高效、无毒、价格低廉和环境友好等优良特性，在全球范围内受到普遍重视并得到广泛研究。传统的细水雾发生方法都有着或多或少的缺点和局限性，因此国内外的很多研究机构正致力于开发研究新型的细水雾发生方法，以充分发挥细水雾灭火技术的优越性，使其能在更广泛的领域内得到应用。气泡雾化技术作为一种新型的内混式双流体雾发生技术具有工作压力低、雾化效果好、用气量少以及简单可靠等众多优点，它已经在内燃机、燃气轮机、工业锅炉、废液焚化炉和制药等方面得到了广泛的应用，但在灭火方面的应用仍属于空白。 本文根据气泡雾化技术的特点及有效灭火对细水雾雾场特性的要求，首先研究发展了基于气泡雾化的细水雾发生方法，并构建了气泡雾化细水雾发生的模拟实验系统。然后使用所设计的系统研究了气泡雾化喷嘴的流量特性，并通过拟合分析求出了液体流量与GLR(气液质量流量比)和气体注入压力之间的数学关系。实验中发现气泡雾化喷嘴的流量系数主要受到气液流量比、注入压力以及喷嘴结构等的影响。 利用高速摄影的方法研究了气泡雾化喷嘴内部的两相流型和喷嘴外部的雾场结构及液相破碎过程，分析了气泡雾化的机理。结果表明，随着液体流量的减小和GLR的增大，气泡雾化喷嘴内部的两相流动从稳定的泡状流态变化到不稳定的过渡态，再到相对稳定的环状流态。选取合适的最大截面含气率α<,max>值，可用漂移流动模型来获得泡状流态和过渡态的转换标准。而基于漂移流动模型，使用截面含气率和流动的关系来模拟环状流动可以获得过渡态和环状流态的转换标准。对于我们的实验，泡状流态至过渡态的α<,max>=0.7，过渡态至环状流态的α<,max>=0.784。当喷嘴内部为泡状流动时，气泡爆破将周围液膜击碎成小液滴，而两层气泡之间的带状液膜则破碎为大液滴。当喷嘴内部为环状流动时，连续喷出的气体在喷口附近很短的距离内由于膨胀和剪切作用将液膜破碎成液丝和液滴。过渡态流动下，喷雾则间歇显示出泡状流态和环状流态下的模式。由于喷嘴内部流型的转变，气泡雾化细水雾存在不稳定的现象，其变化规律与两相流型是对应的。 作为气泡雾化细水雾灭火性能研究的基础，测量了不同工况下气泡雾化细水雾的四个雾特性参数，其中应用激光多普勒分析仪测量细水雾的平均粒径和三维平均速度分布，应用激光片光和CCD成像法测量细水雾的雾化锥角，使用收集法测量雾通量的分布，讨论分析了工作压力、气液流量比和喷嘴结构对这四个雾特性参数的影响。根据气泡雾化喷嘴内部两相流型变化导致的雾滴形成机理的不同对Lund等人预测雾滴粒径的模型进行了改进，以能在更宽的GLR范围内对雾滴粒径进行预测，模型计算结果与实验数据的偏差在±20％内。 使用自行设计的气泡雾化喷嘴进行了对防火保护对象的局部释放工况和全淹没工况下的灭火有效性实验，测量了灭火过程中火焰形态，火焰、油面、空间温度和O<,2>、CO<,2>、CO浓度的动态变化过程，研究了不同雾化气体与细水雾耦合作用下的灭火机理，并具体对喷嘴工作参数、燃料类型、喷嘴类型、通风状况以及雾化气体类型等因素对于气泡雾化细水雾抑制熄灭火灾有效性的影响规律和定量关系进行了分析，为气泡雾化技术在新一代灭火系统的推广应用提供理论指导。 通过与压力式喷头产生的单流体细水雾的灭火有效性比较实验，表明了无论在局部释放工况还是全淹没工况下，气泡雾化细水雾均显示出比单流体细水雾更为高效的灭火性能，并且在有障碍物的场合使用卤烃气体和惰性气体辅助雾化会极大的改善灭火效果。因此，气泡雾化技术在清洁高效灭火系统中有着广阔的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

中国科学技术大学学位论文相关声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1气泡雾化技术

1.2.2双流体细水雾灭火技术

1.3研究目标

1.4研究内容及技术路线

参考文献

第二章气泡雾化细水雾发生方法及技术实现

2.1引言

2.2气泡雾化喷嘴结构特点

2.3气泡雾化喷嘴设计

2.3.1外气内液式喷嘴

2.3.2内气外液式喷嘴

2.4气泡雾化细水雾发生系统设计

2.4.1液、气源的设计

2.4.2细水雾发生系统

2.4.3气液流量测量系统

2.4.4气液注入压力测量系统

2.5气泡雾化喷嘴流量特性研究

2.5.1气泡雾化喷嘴流量特性

2.5.2气泡雾化喷嘴流量系数

2.5本章小结

参考文献

第三章气泡雾化机理研究

3.1引言

3.2喷嘴内部两相流型研究

3.2.1实验方法

3.2.2喷嘴内部的泡状流型

3.2.3喷嘴内部的过渡态流型

3.2.4喷嘴内部的环状流型

3.2.5泡状流向过渡态转换的标准

3.2.6过渡态向环状流转换的标准

3.3气泡雾化细水雾雾场结构研究

3.3.1液体雾化过程

3.3.2实验方法

3.3.3雾场结构研究

3.4气泡雾化细水雾雾场稳定性研究

3.5本章小结

参考文献

第四章气泡雾化细水雾雾场特性研究

4.1引言

4.2细水雾的特性参数表征

4.3雾滴平均粒径分布规律研究

4.3.1测量系统

4.3.2单喷口喷嘴测量结果与讨论

4.3.3多喷口喷嘴测量结果与讨论

4.4雾滴三维平均速度分布规律研究

4.4.1单喷口喷嘴测量结果与讨论

4.4.2多喷口喷嘴测量结果与讨论

4.5雾化锥角变化规律研究

4.6雾通量分布规律研究

4.6.1单喷口喷嘴测量结果与讨论

4.6.2多喷口喷嘴测量结果与讨论

4.7本章小结

参考文献

第五章局部释放工况下气泡雾化细水雾灭火有效性实验研究

5.1引言

5.2细水雾灭火机理概述

5.3实验方法

5.3.1实验装置

5.3.2实验方法

5.4气泡雾化细水雾抑制熄灭油火的实验研究

5.4.1工作压力和施加水流率对灭火有效性的影响

5.4.2喷口布置和火源与喷头的相对位置对灭火有效性的影响

5.4.3火源功率对灭火有效性的影响

5.4.4雾化气体类型对灭火有效性的影响

5.4.5与压力式喷头灭火效果的比较

5.5气泡雾化细水雾抑制熄灭木垛火的实验研究

5.5.1气泡雾化细水雾抑制熄灭木垛火的典型过程

5.5.2施加水流率和雾化气体类型对灭火有效性的影响

5.6本章小结

参考文献

第六章全淹没工况下气泡雾化细水雾灭火有效性实验研究

6.1引言

6.2实验方法

6.2.1实验装置

6.2.2实验方法

6.3实验结果与讨论

6.3.1火源功率和初始氧浓度对灭火有效性的影响

6.3.2施加水流率对灭火有效性的影响

6.3.3与压力式喷头灭火效果的比较

6.3.4火源位置和通风情况对灭火有效性的影响

6.3.5雾化气体类型对灭火有效性的影响

6.4本章小结

参考文献

第七章结论及下一步工作展望

7.1本文主要工作及结论

7.2本文创新之处

7.3下一步工作展望

致谢

攻读博士学位期间完成的论文