临界态CO2灭火系统关键部件流场特性研究

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随着国内经济转型升级,无人化生产模式成为大趋势,给消防行业带来新的挑战。对比各类灭火剂,发现CO2具有经济、清洁、高效、惰化、可靠等诸多优点,是敞开环境中唯一能用于局部式灭火的灭火剂。因此CO2灭火剂是无人区火灾防控的最佳选择。为解决现有灭火系统罐体中升压缓慢、不足等问题,威特龙公司将CO2以工程临界态进行储存。CO2从罐体释放,流经管路由最后通道喷嘴喷射进大气环境的过程中,因温度、压力变化产生相变,流态变得复杂多变。喷嘴、分流管路作为灭火系统的关键部件,其结构的合理性与系统灭火性能密切相关。因此,本文基于工程临界态CO2,通过Fluent仿真软件对灭火系统中关键部件的结构进行优化设计。主要研究内容如下:(1)CO2相变理论研究及数值模拟方法确定。通过CO2相态分析,定义相关的UDF程序并结合Fluent蒸发冷凝模型中的Lee传质传热模型构建CO2相变模型;选用VOF多相流模型、Realizable k-ε湍流模型对CO2流场特性进行仿真分析。(2)扩管喷嘴优化设计。通过对四种常用喷嘴建立2m×0.6m的外流场仿真域,在射流不发生偏离的前提下,以流域末端线上气态CO2体积分数覆盖范围判断灭火效果,在此基础上对扩管喷嘴进行优化设计。采用单因素变量法,探索扩管喷嘴扩张角度、出口直径、整流长度尺寸变化与喷射效果间的影响关系,确定出合理的参数范围;考虑因素间的相互作用,基于单因素分析所得结论,利用正交实验法仿真获取喷嘴的最佳结构尺寸;将流域扩至5m×1.2m,对两种临界状态下的CO2射流情况进行仿真,发现扩管喷嘴的干冰量生成极少且极易消散,低压临界态CO2射流比高压临界态CO2射流具有更低的速度与温度,更广的气态CO2体积分数覆盖范围。(3)分流管路优化设计。通过对环形分流管路的仿真分析,发现管路中不同部位的压降以及CO2气化程度差异比较大,涡流生成严重,管内能量损失大,各出口的出流速度差异很大,管内冰堵风险高。基于分流管路结构的对称性,设计出一种新的球形分流管路,该分流管路除出口附近的CO2气化量较高外,其余部位的气化量皆比较低。各支流道内的压降差异小且管内无涡流生成,对应能量损失小,各出口处的流体流速差异很小,可达到均匀出流、降低管内冰堵风险的目的。
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