穩流器結構對導流式消防水炮流動特性的影響

方正,向黎,樂黨救,李浩翥,唐玨菁,沈雷虎,李棟*,趙傳文

(1. 中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司,上海 200001;2. 南京師范大學能源與機械工程學院,江蘇 南京 210046)

特高壓直流輸電技術憑借輸電距離遠、輸電容量大、電能耗損小等特點已在國內外得到廣泛應用,然而多起嚴重的變壓器火災事故,使得特高壓換流變壓器的消防問題引起了人們密切關注[1-3].

消防水炮是遠距離撲滅火災的重要消防設備.消防水炮按噴嘴的結構不同可分為直流式和導流式[4],其中導流式炮頭可根據可調節伸縮裝置自由切換柱狀與霧狀射流模式.霧狀模式的射程較近,但滅火范圍大;柱狀模式的射程遠,可以實現遠距離滅火.由于變壓站火災可能會出現二次爆燃,做到遠距離滅火可以保障消防人員的安全,因此文中擬對導流式消防水炮柱狀工作模式下的流場特性展開研究.

為提高消防水炮的滅火效率,目前諸多學者主要通過調整消防水炮的內部結構與安裝導流板來提升消防水炮的綜合性能.劉力濤等[5]對影響消防水炮噴嘴噴射性能的幾個關鍵因素進行了分析,結果表明,噴嘴的出口直徑、噴芯結構、出口直流部分的長度等因素都對水炮噴射性能有決定性的影響.劉俊[6]基于數值模擬與構建響應面模型(RSM)的方法,對導流式炮頭內部導流杯芯進行結構優化,發現導流杯芯倒角結構對水炮水力性能的影響較大.袁丹青等[7]對安裝導流板的消防水炮流道進行了數值模擬,結果表明安放導流片可消除管內湍流核心區,改善流動狀態.XIANG等[8]研究了連續變截面S形管管身的內部流動,發現安裝導流板后出口紊流擾動大大減小.

此外,穩流器結構也是提升消防水炮和水槍射程及水力學性能的重要結構.常見的消防水炮穩流器按截面形狀劃分主要有星形穩流器、多矩形穩流器、蜂窩形穩流器、彈尾形穩流器、梅花形穩流器以及組合形式的穩流器[9].王紅霞[10]對消防水槍內產生湍流的原因進行了分析,并對安裝蜂巢形整流裝置的消防水槍進行了實體試驗,結果表明蜂巢形整流裝置可以顯著提升消防水槍噴射距離.嚴海軍等[11]對安裝彈尾形穩流器的消防水炮進行了數值模擬分析,結果表明安裝穩流器可以明顯消除渦流和橫向流,提高噴頭出口速度的均勻性.向清江等[12]設計了截面積近似相等的3種穩流器,進行了水炮設計流量為1 500 m3/h下的內部流動數值模擬,結果表明加裝穩流器對流動狀態改善效果明顯,出口軸線上速度的增加均大于無穩流器的情況.袁曉明等[13]研究了均布葉片數量、圓角、軸向長度和改進的兩段式穩流器結構對穩流器水力學性能的影響,確定了葉片數量為6的改進型穩流器具有較優的綜合性能,并通過試驗對穩流器的性能進行了驗證.李萍等[14]對裝有不同型式穩流器的噴頭內部三維流場進行數值模擬,結果發現穩流器的形式直接影響了噴頭的質量.張靜等[15]對安裝分段錯位布置穩流器的直流水槍進行了射流試驗及模擬研究,研究表明分段的穩流器能降低水槍射流擴散作用與渦旋強度.張海春等[16]利用數值模擬研究了三葉片星形穩流器端部結構對直流水槍流動阻力和湍流動能的影響,確定了入口側端部凹陷、出口側端部凸起的改進型穩流器具有較優的綜合性能.YAN等[17]對PY140噴頭內穩流器的安裝展開了數值模擬,結果表明安裝穩流器可以改善噴頭的內部紊流,并使噴頭出口處的流速更加均勻.

以上研究主要關于穩流器結構對直流式消防水炮和水槍性能的影響,而關于穩流器對導流式消防水炮內流場影響的研究較少.因此,文中對安裝星形穩流器的導流式消防水炮內水的流動展開數值模擬,并分析同體積條件下穩流器數量、長度以及布置方式對流體流動特性的影響.

1 數值模擬計算方法

1.1 幾何模型與網格劃分

文中主要探究穩流器數量、長度及排列方式對消防水炮性能的影響.利用Solidworks將不同長度、數量的六肋式星形穩流器安裝在消防水炮的噴嘴芯末端,消防水炮具體尺寸如圖1所示.其中,為對比穩流器進出口處的流動變化,在噴嘴芯末端建立截面A,在穩流器出口建立截面B.穩流器的類型有5種(T1,T2,T3,T4,T5),如圖2所示,數量分別為0,1,2,4和8個,穩流器的長度分別為0,80,40,20,10 mm,相鄰2個穩流器均為交叉排列布置,交叉角度均為30°.

圖1 消防水炮物理模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of physical model of fire fighting water cannon

圖2 消防水炮穩流器示意圖Fig.2 Schematic diagram of flow stabilizers of fire fighting water cannon

消防水炮物理模型采用ANSYS的Meshing模塊進行網格劃分,采用非結構化網格形式,網格數量為75～168 萬,如圖3所示.此外,對網格的無關性進行驗證,以安裝T3穩流器的消防水炮為例,如圖4所示,隨著網格數量的增大,截面A的平均速度v接近不變,選擇網格數量N為85 萬的模型進行數值計算.

圖3 幾何模型網格劃分Fig.3 Geometry model meshing

圖4 網格無關性驗證Fig.4 Grid independence verification

1.2 數學模型

在高壓作用下,水流速度較快,為湍流形式.文中選擇RNGk-ε模型來模擬管道內水的流動,k方程和ε方程分別為

(1)

(2)

1.3 邊界條件的設定

炮頭模型的入口為壓力進口,設置為0.8,1.0,1.2 MPa,管道的出口為壓力出口, 設置為標準大氣壓力.壁面的邊界條件設為無滑移,壓力場和速度場的耦合求解方法采用 SIMPLEC算法[8],迭代的松弛因子采用軟件默認值,各變量的收斂殘差設置為10-4.

2 結果分析與討論

2.1 穩流器結構對軸線速度的影響

對帶不同結構穩流器的消防水炮進行數值模擬.圖5為不安裝星形穩流器的消防水炮速度流線圖,圖中水流從水炮的入口處進入,依次流經4個彎頭,受彎頭影響水流發生了繞彎和旋轉.當水流經消防水炮的直管段,消防水炮內部流速不均勻,進而影響了消防水炮射程.

圖5 消防水炮流線圖Fig.5 Streamline diagram of fire fighting water cannon

消防水炮內流體的軸線速度是影響射流距離的重要因素,文中對入口壓力1.0 MPa消防水炮噴嘴芯末端與穩流器出口截面位置的軸線速度進行了對比分析,如圖6所示,圖中vq為截面上的軸向速度.

圖6 軸向速度云圖Fig.6 Axial velocity clouds diagram

穩流器的安裝可以改善消防水炮內流體軸向速度分布.從圖6a可以看出,當流體未流經穩流器時,流體軸向速度不均現象嚴重,消防水炮右側的軸向速度明顯小于左側的.以圖6c為例,當安裝T2結構的星形穩流器時,流體流經穩流器后,右側的速度明顯提高,均勻性得到了改善,但部分葉片間仍有大面積低流速區域.為進一步提升穩流器的穩流效果,在穩流器體積一定的條件下,通過縮減單個穩流器的長度,將不同數量穩流器交叉布置,探究一種最優的穩流器排列布置形式.以T2與T3為例,當流體流過穩流器截面B時,T3(叉排布置)右側的軸向速度明顯大于T2(順排布置)的,截面流動的均勻性有所改善.值得注意的是,當通過縮短穩流器的長度,增加叉排布置的數量時,如圖6e,6f所示,盡管右側軸向速度有了一定的提升,但在管道中心位置會出現局部的流體擾動,甚至出現反方向流動現象,如圖6e,6f中藍色區域所示.

為更好地對比說明不同穩流器的穩流效果,文中對截面橫向軸線上的速度進行了量化分析,如圖7所示,圖中d為軸線上從左向右的距離.當消防水炮頭中未設置穩流器時(PA),由于流體流經彎管后管道內外側壓力不均勻,流體的流動狀態不穩定,流體軸線速度在同一截面分布不均,其中左側的流速較高,最大速度為17.2 m/s,右側的速度較小,速度集中在8.0～9.0 m/s,速度不均勻程度嚴重.在流體流過穩流器后的截面B位置處,T2—T4流體截面速度的均勻性均有所改善,可以明顯看到安裝穩流器后右側的流速均有不同程度上的提升,這是因為截面A處的不均勻流體在流經不同類型的穩流器后被分為多股水流,進而消除了內部的強旋流流動[17].但由于T5型穩流器存在反流現象,流體速度波動較大.總體來看,從圖中可知,T3型叉排布置的穩流器穩流效果最佳,平均速度約為13.5 m/s.右側的流體速度總體接近平均流速.

圖7 不同穩流器結構消防水炮的截面軸向速度云圖Fig.7 Cross-sectional axial velocity clouds of fire fighting water cannons with different flow stabilizer structures

2.2 消防水炮內的逆向流動與渦旋

值得注意的是,當穩流器長度縮短至10 mm,增加叉排數量后,在靠近截面中心處的最小流體速度為-2.1 m/s.對該局部區域進行矢量分析,如圖8a所示,靠近中心壁面位置的地方出現了明顯逆向流動與渦旋.而T3型穩流器出口截面沒有出現逆方向流動,如圖8b所示.

圖8 消防水炮內部速度矢量圖Fig.8 Internal speed vector diagram of fire fighting water cannon

與單葉片長度40 mm且數量為2的穩流器相比,當單個穩流器的長度縮小至10 mm且數量為8時,流體流過的截面積變小,平均流速變大,雷諾數增大,流體流動狀態不穩定,更易產生旋渦與逆向流動.

圖9為T3與T5類型流經穩流器的壓力變化截面云圖.

圖9 消防水炮截面壓力云圖Fig.9 Cross-sectional pressure clouds of fire fighting water cannon

由于受到阻礙作用,流體流過穩流器葉片時的流速下降,壓力增大,在葉片前形成了順壓區.當流體從葉片兩側流過時,流速開始增大,兩側增大的流速使得葉片后的壓力降低,在葉片后形成了逆壓區,穩流器葉片前后的壓力差異分布使得穩流器出口出現了回流.如圖9所示,由于單葉片的長度較短,且叉排布置的數量較多,壓力損失更大,與T3穩流器的內部流場相比,T5穩流器出口的逆壓區更明顯,更易形成回流區.

2.3 穩流器結構對消防水炮湍動能及壓降的影響

出口湍動能表示單位質量流體紊流脈動動能.為進一步分析穩流器類型對消防水炮性能的影響,對不同入口壓力下5種類型消防水炮的進出口湍動能值進行了量化分析(均采用面積加權).

圖10為不同穩流器類型消防水炮的進出口湍動能差值,圖中Δk為進出口的湍動能差;pin為入口壓力,安裝穩流器可以減小消防水炮的進出口湍動能.以入口壓力1.0 MPa的工況為例,當消防水炮沒有安裝穩流器時,其進出口湍動能差值最大,流體湍流程度更高,為3.36 m2/s2.而增加穩流器后,消防水炮進出口湍動能差均有所減小.從圖中可以看出,T3消防水炮湍動能的減小最為明顯,僅為2.81 m2/s2,與沒有安裝穩流器的消防水炮相比,結構四的進出口湍動能差值優化了16.3%.且隨著入口壓力的提高,不同類型消防水炮的進出口湍動能差呈上升趨勢,穩流器對湍動能差的改善更為明顯.

圖10 不同穩流器類型消防水炮的進出口湍動能差值Fig.10 Difference in turbulent kinetic energy between inlet and outlet of fire fighting water cannon with different flow stabilizers

為探求穩流器布置方式對消防水炮內壓力損失的影響,對截面A與B間的壓力變化進行了分析,如圖11所示,圖中p為不同截面的壓力值;L為距濾芯末端處的距離;Δp為不同穩流器類型下的進出口壓降,安裝穩流器會增加消防水炮內的壓力損失.且隨著穩流器叉排布置數量的增加,流體的壓力損失增大.如圖所示,穩流器數量為1時,壓力損失為29.57 kPa,當穩流器數量增加為2且叉排布置時,壓力損失升至39.47 kPa;而當穩流器數量為8且交叉布置時,壓力損失達到最大為103.24 kPa.因此在實際設計穩流器時,增加穩流器的叉排布置數量來提升消防水炮的性能是有限的,過多數量的叉排布置會造成較大的壓力損失.

圖11 不同穩流器類型消防水炮內的壓力變化Fig.11 Pressure variation in fire fighting water cannon with different flow stabilizers

3 結 論

對帶有不同結構星形穩流器結構的消防水炮內流體的特性進行了數值模擬,對炮頭的進出口湍動能以及軸線速度展開了分析.研究結論如下:

1) 星形穩流器的增加可顯著改善消防水炮內的速度均勻性分布,減小消防水炮的進出口湍動能差.

2) 分段錯位且叉排布置的星形穩流器可顯著提升穩流效果,其中穩流器數量為2,長度為40 mm且交叉布置的組合最有利于提升消防水炮的綜合性能.

3) 同體積的條件下,通過縮短穩流器的長度,增加穩流器的叉排布置數量提升消防水炮性能是有限的,過多數量的叉排布置會造成流體逆方向的流動以及較大的壓力損失.