壓縮空氣泡沫在長距離管路輸送中壓降的數值模擬

張佳慶,黃 勇,周亦夫,過 羿,黎昌海,黃玉彪

(1.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院,合肥,230601;2.電力火災與安全防護安徽省重點實驗室,合肥,230022;3.國家電網公司輸變電設施火災防護實驗室,合肥,230022;4.國家電網有限公司,北京,100031;5.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室,合肥,230026)

0 引言

特高壓直流輸電技術憑借其輸電距離遠、輸電容量大、電能耗損小等特點已在國內得到廣泛應用。然而特高壓變壓器等充油設備一旦發生火災,火勢發展迅猛,火災規模大,傳統水噴霧滅火系統無法達到有效滅火的目的。

壓縮空氣泡沫滅火系統,簡稱CAFS,是將一定比例的壓縮空氣引入加壓泡沫混合物中,混合后產生滅火泡沫,然后通過管道輸出。由于其較好的滅火性能且能有效撲救B類火災[1,2],已廣泛應用于特高壓變壓器等特殊滅火場景中。CAFS的滅火效率比常見的水滅火系統高10倍以上[3],且泡沫在前端主機部分產生,在火災中受高溫、煙氣、爆燃等不利因素影響較小。同時,壓縮空氣泡沫滅火系統可以將壓縮空氣泡沫進行遠距離輸送,避免了爆炸損毀的問題,壓縮空氣泡沫在長距離管路輸送中壓降的研究,利于預測管道與消防炮連接端的壓力值,達到超遠距離滅火。

目前,國內外如對壓縮空氣泡沫在管內的流動特性已有部分研究,如陳旸等[4]對壓縮空氣泡沫在管網中的輸送進行了實驗研究,探討了泡沫輸送流量對管道摩擦阻力損失的影響,發現在泡沫輸送過程中,管道內的壓力和壓力損失隨著泡沫流量的增加而增加。此外,壓縮空氣泡沫在管道內流動的數值模擬大都集中于100 m以內距離[5,6]的管道。林全生等[5]對壓縮空氣泡沫在短距離管道中的流動進行了數值模擬,研究發現管路的出口壓力隨著流量增大而增加,同時在不同的測壓點也具有相同的趨勢。

以上研究主要針對短距離管道內壓縮空氣泡沫的輸送特性,對長距離管道中壓縮空氣泡沫輸送的研究較少。徐學軍[7]進行了大量全尺寸實驗,對AFFF壓縮空氣泡沫在實際消防管網中的流動特性進行了研究,開展了壓縮空氣泡沫在1 000 m超長水平管道內輸運的實體實驗,分析典型因素對管網壓力衰減的影響。

然而對壓縮空氣泡沫在100 m以上的長距離管路輸送中的壓降數值模擬研究相對較少,且管長、管徑等對長距離管道內壓降的影響需要進一步探究。

因此,基于Fluent軟件,本文對400 m長距離管道中壓縮空氣泡沫的流動特性進行了數值模擬,并分析了管道直徑尺寸對壓降變化的影響,探討了不同AFFF壓縮空氣泡沫原液濃度對管內流動影響的規律。

1 數值模擬計算方法

1.1 幾何模型與網格劃分

選擇直徑分別為50 mm、65 mm和80 mm的管道模型,管道長度尺寸均為400 m,如圖1所示。采用Gambit軟件對其進行網格劃分,其中為了符合黏性影響區流體流動求解要求,將壁面的網格進行加密[8],如圖2所示。

圖1 管道物理模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pipeline physical model

圖2 幾何模型網格劃分Fig.2 Mesh division of geometric model

1.2 網格無關性驗證

對管道壓降進行數值模擬前,首先進行了網格無關性驗證,如圖3所示。隨著網格數量的增加,400萬網格之后,壓降幾乎不再變化。本文中選用600萬網格量進行數值計算。

圖3 網格數量的無關性驗證 Fig.3 Grid independence verification

1.3 數學模型

文獻[7]的實驗中,泡沫液的流量控制為400 L/min,壓縮空氣泡沫流速較快,大都為湍流形式。在本文中,選擇了Spalart-Allmaras(S-A)模型來模擬管道內泡沫的流動,該模型適用于雷諾數較低的湍流狀態[5]。計算選用SIMPLE算法。

基本控制方法包括連續性方程、動量方程和S-A方程。

連續性方程為：

(1)

式中,ρ——流體密度,kg/m3;

t——時間,s;

vx——x方向的流體流動速度,m/s;

vy——y方向的流體流動速度,m/s。

動量方程為：

(2)

式中,p——流體流動靜壓,Pa;

ui,uj——速度張量,m/s;

τij——應力張量,Pa;

ρgi——i方向上重力體積力,N;

Fi——i方向上外部體積力,N;

xi,xj——坐標張量。

(3)

Y——壁面阻擋和黏性阻尼產生的湍流粘性的減少項,kg/(m3·s);

G——湍流黏性產生項,kg/(m3·s)。

1.4 邊界條件的設定

管道模型的入口為速度進口,用AFFF泡沫的流量值進行速度換算,流量為400 L/min,入口壓力為1 MPa,管道的出口為壓力出口。壁面的邊界條件設為無滑移邊界條件。

1.5 管道截面的建立

分別在長輸管道的100 m、200 m、232 m、300 m和400 m處建立截面,獲得截面處壓力,以此探求壓縮空氣泡沫在長輸管道內的壓降變化特性。

2 流形的假設

泡沫滅火劑根據泡沫濃縮物的不同成分可分為蛋白質型和合成型[9,10],本文選用合成型的AFFF泡沫,其具有滅火效率高和封閉性能好等優點。

經過發泡處理后的氣泡含氣量大于80%,泡沫形態類似彌散流[11],因為管道內的泡沫流動是充分發展的,將其簡化作單相流進行計算。材料類型采用表觀粘度進行表征,采用Herschel-Bulkley模型計算泡沫的表觀黏性系數[12]。計算方法如式(4)所示。

(4)

式中,τ0——剪切速率為零時的剪切應力,Pa;

γ——剪切速率,s-1;

K——流變系數。

其中,由文獻[13]可得,參數γ取150 s-1。采用Balmforth等[14]定義屈服應力的方法,得到泡沫的屈服應力τ0為 1.5 Pa,并通過擬合剪切應力和剪切應變實驗值得到參數K=1.19,n=0.383,由此可得泡沫表觀粘度為0.064 Pa·s。

壓縮空氣泡沫系統選用設備為T5固定式壓縮空氣泡沫系統,系統可以產生不同氣液比類型的壓縮空氣泡沫,氣液比的大小通過對泡沫混合液流量與空氣流量的比例進行控制。在本文研究壓縮空氣泡沫的流動特性時,均設定氣液比為6∶1。

3 結果分析與討論

3.1 長輸管道內壓降變化特性

對不同截面處的壓降進行分析,管道中壓降伴隨距離的變化如圖4所示。隨著距離的增加,管道內壓降均呈現線性變化,且隨著壓縮空氣泡沫的流動,壓降線性增大。以管徑80 mm的管道為例,壓縮空氣泡沫流動到100 m處時,其壓降為36 kPa,隨著流動的進行,當輸送距離達到232 m時,其壓降變為97 kPa。400 m處的壓力最小,壓降進一步增加,達到146 kPa。

圖4 管道內壓降隨距離的變化Fig.4 Variation of pressure drop in tube with distance

將各管道模型的壓降進行線性擬合,得到壓縮空氣泡沫壓降擬合曲線方程為：

ΔP1=k1m

(5)

式中,ΔP1——壓縮空氣泡沫壓降,kPa;

k1——壓縮空氣泡沫平均單位長度壓降,kPa;

m——管道長度,m。

壓降隨距離變化的擬合曲線方程如表1所示,不同管徑的管道壓降隨距離的增加均呈現線性增大。

表1 壓降擬合曲線方程Table 1 Pressure drop fitting curve equation

壓降擬合曲線的斜率為平均單位長度壓降k1,其表示距離增加對壓降增大的影響程度。隨著距離的增加,不同管徑大小的管道壓降均呈現線性增大。且管徑大小影響平均單位長度壓降k1,從表2可以看出,管道直徑越大,平均單位長度壓降k1越小,即距離對壓降的影響程度越小。

表2 平均單位長度壓力損失Table 2 Average unit length pressure drop

當壓縮空氣泡沫在管內流動時,管徑50 mm的管道,平均單位長度壓降最大,為0.885 kPa/m,實驗值為0.871 kPa/m;管徑65 mm的管道,平均單位長度壓降為0.676 kPa/m,實驗值為0.715 kPa/m;管徑80 mm的管道,平均單位長度壓降為0.368 kPa/m,實驗值為0.395 kPa/m,平均單位長度壓降誤差均小于10%,在誤差允許范圍內。

3.2 管徑對出口壓力及壓降的影響

壓降隨管徑的變化如圖5所示。隨著管徑的增大,相同距離處的壓降均呈現線性下降趨勢,以距離入口100 m處的位置為例,50 mm管徑的壓降為85 kPa,當管徑增加至65 mm時,其壓降變為63 kPa,管徑增加至80 mm時,壓降進一步降低為36 kPa。

圖5 不同管徑壓降隨距離的變化Fig.5 Variation of pressure drop with distance for different pipe diameters

管徑直接影響管內的壓力分布和壓降大小。隨著距離的增加,管徑增大對壓縮空氣泡沫壓降降低的影響更為明顯。在100 m處,選用65 mm管徑比選用50 mm管徑,壓降低22 kPa,在距離200 m處,選用65 mm 管徑比選用50 mm管徑,壓降低48 kPa,而當距離提高到400 m時,65 mm管徑的壓降比50 mm管徑的壓降低80 kPa。因此,當壓縮空氣泡沫在短距離管道中流動時,管道直徑對壓降的影響很小,當壓縮空氣泡沫在長距離管道中流動時,選擇較大的管道直徑可以顯著降低壓降。

為體現管徑對壓降的影響,通過改變管徑大小,將不同距離處的壓降進行線性擬合,得到壓縮空氣泡沫壓降擬合曲線方程為：

ΔP2=-k2d+b

(6)

式中,ΔP2——壓縮空氣泡沫壓降,kPa;

k2——壓縮空氣泡沫平均單位管徑壓降,kPa;

d——管徑寬度,mm;

b——截距,m。

壓降隨管徑變化的擬合曲線方程如表3所示。從表3中可以發現,在不同管長位置,壓降隨著管徑的增大均呈現線性減小。

表3 壓降擬合曲線方程Table 3 Pressure drop fitting curve equation

平均單位管徑壓力損失k2決定管徑對壓降的影響程度。管道越長,壓縮空氣泡沫平均單位管徑壓力損失越大,管長100 m處的平均單位管徑壓降為1.633 kPa,管長400 m處的平均單位管徑壓降為6.934 kPa,是管長100 m的4倍,在長距離管道中選用較大管徑可以有效減小壓降。

為驗證模擬結果的可靠性,將不同位置處的模擬數據與文獻[7]中的實驗結果進行對比,同時進行誤差分析。

將文獻[7]中距離入口232 m處的實驗結果與模擬數據進行對比,如圖6所示。實驗中管徑50 mm的管道,壓降為185 kPa,本文模擬值為196 kPa,壓降誤差為11 kPa。實驗中管徑65 mm的管道,壓降為151 kPa,本文模擬值為150 kPa,壓降誤差為1 kPa。實驗中管徑80 mm的管道,壓降為100 kPa,本文模擬值為97 kPa,壓降誤差為3 kPa。誤差均在10%以內,在合理范圍,進而驗證了模擬的可靠性。

圖6 距離入口232 m處的壓降對比Fig.6 Pressure drop comparison at 232 m from the inlet

相應的,將模擬400 m處的壓降結果與文獻[7]的實驗數據進行比較,結果如圖7所示。實驗中管徑50 mm的管道,壓降為350 kPa,本文模擬值為354 kPa,壓降誤差為4 kPa。實驗中管徑65 mm的管道,壓降為275 kPa,本文模擬值為274 kPa,壓降誤差為1 kPa。實驗中管徑80 mm的管道,壓降值為155 kPa,本文模擬值為146 kPa,壓降誤差為9 kPa。誤差均在10%以內,驗證了模擬結果的可靠性。

圖7 距離入口400 m處的壓降對比Fig.7 Pressure drop comparison at 400 m from the inlet

3.3 泡沫原液濃度對管內傳輸壓降的影響

以文獻[7]中的實驗工況為依據,測定未經發泡的AFFF泡沫原液濃度對管內傳輸壓降的影響,泡沫濃縮液所占的體積比為稀釋比[12]。經稀釋過的3%水成膜泡沫密度為1 010 kg/m3,粘度為18.7 cp,泡沫原液在管道內的流動同樣按照單相流進行數值模擬計算。

從圖8可以看出,在相同管道直徑的情況下,1%濃度的AFFF泡沫原液和3%濃度的AFFF泡沫原液壓降隨距離的變化幾乎沒有差別,壓降均呈線性變化。

圖8 不同濃度泡沫原液壓降隨距離的變化Fig.8 Variation of pressure drop with different distances of foam original solution with different concentrations

為直觀表達泡沫原液在管道內壓降的變化,將泡沫原液壓降進行線性擬合,擬合曲線方程為：

ΔP3=k3m

(7)

式中,ΔP3——泡沫原液壓降,kPa;

k3——泡沫原液平均單位長度壓降,kPa/m;

m——管道長度,m。

不同濃度的泡沫原液壓降隨距離變化的擬合曲線方程如表4所示?？梢钥闯?1%與3%濃度的泡沫原液平均單位長度壓降k3僅相差0.01 kPa/m,泡沫原液濃度對泡沫原液平均單位長度壓降幾乎沒有影響。

表4 壓降擬合曲線方程Table 4 Pressure drop fitting curve equations

泡沫原液濃度對管道內壓降幾乎沒有影響,如圖9所示。1%和3%濃度的AFFF泡沫原液模擬壓降分別為148 kPa和146 kPa,相差2 kPa。將文獻[7]中距離入口350 m處測得的泡沫原液壓降結果與模擬數據進行對比,1%濃度的AFFF泡沫原液誤差值為2 kPa,3%濃度的AFFF泡沫原液誤差值為5 kPa,誤差在10%內,在允許范圍內。

圖9 距離入口350 m處泡沫原液壓降對比Fig.9 Pressure drop comparison of foam original solution at 350 m from the inlet

泡沫原液濃度對管道內壓降影響很小,而當流量一定時,壓降與壓縮空氣泡沫系統中設置的泡沫混合液供給流量以及空氣供給流量的比值有關,即與壓縮空氣泡沫的氣液比相關。

4 結論

對壓縮空氣泡沫在管道內流動進行了數值模擬,并結合文獻實驗數據對比,對管道內各處的壓力變化及壓降變化特性進行分析,得到如下結論：

(1)在定氣液比與定流量的情況下,400 m長管道內壓縮空氣泡沫的壓降隨著距離的增加而線性增加,且50 mm、65 mm和80 mm管徑的管道單位長度壓降分別為0.885 kPa/m,0.676 kPa/m和0.368 kPa/m。數值模擬結果與文獻實驗數據吻合良好,利用數值模擬壓縮空氣泡沫輸送在長管道內的壓降對工程設計計算具有一定的參考價值。

(2)在定氣液比與定流量的情況下,管道直徑對壓縮空氣泡沫壓降影響顯著,管徑越大,壓降變化越小。管道長度越長,平均單位管徑壓降k2越大,管徑對壓降的影響程度就越強烈。因此,在實際工程中,為使得管道末端有更大的壓力輸出,應綜合選擇管徑和管長的大小,盡可能設置較短的輸送管道并在輸送時間允許的范圍內,選擇較大直徑的輸送管道。

(3)未經發泡的泡沫原液濃度對泡沫原液的壓降變化影響不大,壓降與壓縮空氣泡沫的氣液比有關,長距離管道壓降的工程計算中可忽略泡沫原液濃度的影響,重點考慮氣液比因素。