液氮消防装备低温性能与两相流喷射机理研究

发布时间：2020-06-17 17:48

【摘要】：随着经济技术和科技水平的不断发展,我国对公共安全设施的建设在不断提升。消防灭火车作为扑灭火灾的重要设备,也在不断更新换代。消防车可分为三代,本文研究的液氮消防装备属于第三代消防车所使用的配套装备,它喷射大流量、微粒化、高射速的“云状”灭火剂,“云状”灭火剂与火焰大面积接触,改变了消防人员进入建筑物内部强攻灭火的战术。本文主要研究了液氮消防装备的低温阀门温度分布特性和喷嘴气液两相流的喷射机理。以低温截止阀为例,对其进行模型建立和网格划分,并进行稳态热分析,得到低温阀门的温度分布和热流量分布规律。针对喷嘴内部两相流的形态变化,选取不同尺寸参数的拉伐尔喷嘴和普通喷嘴进行流场分析,在建立几何流体域模型的基础上,运用VOF仿真模型对其进行模拟,得到了两相流的压强、密度、速度变化规律。并对不同喷嘴尺寸的流体喷射速度进行对比,得出了两相流速度随喷嘴尺寸的变化规律,提出了最佳的喷嘴尺寸。此外,还进行了喷嘴后坐力的计算,发现喷嘴的后坐力与流量成正比关系,与出口面积成反比关系。为了进一步研究喷嘴下游喷雾的分布特性,对液雾形成机理进行了分析,包括液膜的形成,液滴的破碎等,同时推导了液滴破碎的三大数学模型。通过对两相流韦伯数的计算,确定了液滴破碎模型。在仿真模拟时,首先计算了两相流喷射时的液膜厚度,通过对喷嘴出口截面处的两相流参数的计算,研究了水雾喷射时不同气液比、不同液相流量时的出口截面含气率、液膜厚度的变化规律,液膜厚度随气液质量比的增大而减小,与液相流量基本无关。此外,研究结果还表明,出口截面的各项参数是随时间呈周期性变化的。最后,利用DPM模型对喷雾场进行连续相和离散相的耦合模拟分析。对水雾喷射的流体域进行建模和数值模拟,得到了喷雾场的液滴各参数分布云图,并对不同液相流量和不同气液比时的喷雾特性进行研究,得出了它们对液滴分布的影响规律,从而得到了最佳的气液比。本文的研究对液氮消防装备的设计优化有着重要的理论意义。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU998.13
【图文】：

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氮汽化增压产生巨大的推力，推着水、干粉灭火剂一起喷射，提高将水分裂成细水雾，细水雾在火场中更易汽化吸热且氮气能降，做到全方位地扑灭火灾。以上两种灭火过程均是物理变化、无氮灭火装备的灭火原理是利用氮气的惰性和低温，在燃烧区域通过例从而降低氧气的比例，切断了燃烧反应链，当温度下降到５００°Ｃ被扑灭。氮气是大气的其中一种成分，它在空气中的含量为７９％。尔质量与空气相近，用氮气灭火时，氮气能与周围的空气快速混灭火还能起到明显的降温效果，液氮在标准大气压下的沸点为－１９６罐时由于压力大于标准大气压，通常温度可达到－１６０°Ｃ以下，通过后会形成0°Ｃ以下的低温气体，气体流速也增大，将其迅速喷射到收大量的热量。逡逑品方面，国外现在已有氮气消防车的研制。为汲取核电站氢气爆炸消防车制造商森田集团２０１４年研发出一款不使用水的消防车，如

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水炮在垂直方向上的喷射角度范围为－１５。￣６０。，水平喷射角度可达２４０。。逡逑在室内使用时不需要断电，且不会产生环境污染。逡逑图１－２为ＺｈｏｕＦｕ－ｂａｏ等人研究的利用液氮扑灭矿井火灾的原理图，地下火逡逑灾是煤炭开采的常见威胁，煤炭燃烧很容易造成煤气燃烧和爆炸，利用液氮灭火逡逑既可以降温，也可以排出氧气和可燃气体，不会阻碍后续的生产［５］。逡逑Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ邋ｌｉｑｕｉｄ逡逑ＬＮ２邋Ｔａｎｋ逦ｄｅｌｉｖｅｒｙ邋ｈｏｓｅ逦＾邋＾逡逑ｉ－邋ｍ逦ＭＪｍ逡逑Ｉｎｌｅｔ逡逑—：：二：一邋Ｐｕｍｐ逡逑Ｖａｌｖｅ逦ＬＮ２邋ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ邋ｐｉｐｅ逡逑ｉ逦ｉ逡逑Ｓｕｒｆａｃｅ邋逦邋逦逡逑入，＞八邋Ｖ邋入、入丫邋＞／＞刀逡逑Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ逦Ｗｅｌｌｈｅａｄ邋ｓｅａｌｉｎｇ逡逑＾Ｏｕｔｌｅｔ逡逑图１－２液氮注入灭火原理Ｗ逡逑目前关于液氮气化机理的研究主要是在液氮大空间池沸腾的研究方面［￣］，逡逑Ｓｔｅｉｎｅｒ等＋９］对直径１４＿的水平管液氮流动进行了实验研究，实验段由三个长逡逑度为１７５ｍｍ的铜管组成。实验参数范围为：质量流量４０－５００ｋｇ／ｍ２ｓ；热流密度逡逑３００－４００００Ｗ／ｍ２；干度邋２－１００％；压力邋５－１６邋ｂａｒ。逡逑３逡逑

【参考文献】