六氟丙烷灭火剂灭火过程的模拟分析

引言

在车辆灭火系统中, 灭火剂在舱体内的流动扩散过程直接影响了灭火剂的分布情况, 从而影响了灭火剂的灭火性能[1]。因此, 深入认识灭火剂在舱体内的流动和扩散规律对灭火系统的设计有很大的指导作用。六氟丙烷灭火剂具有空气泡沫覆盖隔离和自身的化学抑制的双重灭火功效, 可短时间内扑灭轻烃等低沸点可燃气体等优点[2, 3], 目前在车辆消防工程中应用较为广泛。在实际工程六氟丙烷灭火剂灭火性能研究中, 实验方法只能得到总体的灭火效果, 由于受检测方法的限制难以获得灭火剂在车辆内部详细的流动和扩散信息[4]。为此, 本文将采用数值模拟方法对六氟丙烷灭火剂在试验舱体内灭火过程进行分析, 揭示六氟丙烷灭火剂在舱体内的施放、流动及扩散规律, 弥补实验研究的不足, 为车辆内灭火装置的设计和布置提供指导。

一、数学模型

六氟丙烷灭火剂灭火过程中, 灭火剂储瓶中液态的六氟丙烷在压力作用下从灭火装置喷嘴喷出, 同时六氟丙烷汽化为气体, 然后六氟丙烷气体在舱体内快速流动和扩散, 到达火面实施灭火。由流体力学的基本理论[5]分析可知, 六氟丙烷灭火剂在舱体内的施放、流动、扩散过程遵循质量守恒、动量守恒和组分守恒定律, 可由质量、动量和组分基本控制方程组来描述。舱体内六氟丙烷灭火剂的流动属于湍流流动, 由于湍流脉动而引起的动量守恒和组分守恒方程中的应力输运和质量输运要通过湍流模型来封闭, 本研究中采用k-ε双方程湍流模型[6]对其进行封闭。基本控制方程和k-ε湍流模型方程的具体形式参见文献[7, 8]。

二、模拟工况

研究对象为试验所用的舱体, 基本结构尺寸为1996mm×1910mm×920mm。灭火剂储瓶放置在舱体外, 通过管路通入舱体内部, 通过两个灭火喷嘴进行灭火。喷嘴1位于舱体左侧, 喷嘴出口向下;喷嘴2位于舱体右侧, 喷嘴出口面向舱体侧壁, 喷嘴直径为16mm, 具体布置如图1所示。

六氟丙烷灭火剂在储瓶内以液态存在, 施放时汽化喷出, 在舱体内扩散流动。灭火剂储瓶压力为2.5Mpa, 六氟丙烷充装量为2.09 kg, 施放时间为7s。六氟丙烷的密度为6.39 kg/m3, 粘度为2.2610-6 kg/m∙s, 相对分子质量为152[9]。

三、模拟结果与分析

采用CFD软件FLUENT对上述条件下的六氟丙烷灭火剂在舱体内的施放、流动、扩散过程进行模拟计算。采用SIMPLE算法[10]求解压力-速度耦合方程, 动量、组分、湍动能和湍流耗散率方程的离散格式均采用二阶迎风差分格式, 舱体壁面采用标准壁面函数方法处理。喷嘴周边区域中各物理量变化大, 为了更准确地模拟这种变化趋势, 对喷嘴周边区域的网格进行加密, 整个舱体网格数量约为200万。

图2为舱体内灭火喷嘴喷出的六氟丙烷灭火剂的流线图。由图可见, 由喷嘴施放出的六氟丙烷气体先喷到喷嘴出口所对的壁面上, 随后折流向顶部运动, 同时在舱体内逐渐扩散至均匀状态。由流线图还可以看出, 在喷嘴附近六氟丙烷灭火剂流动速度较高, 且流线较为集中, 六氟丙烷浓度较高;随着六氟丙烷灭火剂在舱内的流动和扩散, 流动速度逐渐降低, 浓度也降低。可见, 喷嘴附近发生的火灾可以很好的被熄灭, 而舱内其他位置上发生的火灾能否及时被熄灭则取决于该位置上灭火剂的浓度, 这与灭火剂的流动和扩散过程密切相关。

图3为六氟丙烷用量为2.09 kg时舱内不同时刻六氟丙烷浓度分布图, 可以看出, 在施放初期 (0.5 s) , 六氟丙烷主要集中在喷嘴至所对应的壁面处的区域内;在施放期间 (0.5~7.0s) , 喷嘴附近及其顶部区域内六氟丙烷浓度高于其他位置, 表明随六氟丙烷的不断施放, 该区域内高浓度的六氟丙烷主要向舱体上部和其他部位低浓度区流动扩散。在14.0 s时舱体内六氟丙烷浓度基本相同, 表明施放完结束后六氟丙烷逐渐扩散至均匀状态。由图还可以看出, 灭火剂释放结束后整个舱体内六氟丙烷浓度约为9%, 而灭火要求的浓度为7.5%, 可见在该条件下可以到达灭火要求。上述模拟结果可为灭火装置的设计和布置提供指导。

结论

本文采用数值模拟方法对舱体内六氟丙烷灭火剂的施放、流动和扩散过程进行了研究, 得到了舱体内六氟丙烷灭火剂的流场和浓度分布情况。模拟结果表明, 喷嘴附近六氟丙烷灭火剂流动速度较快, 且六氟丙烷浓度较高;随着施放时间的延长, 六氟丙烷灭火剂在舱内的流动和扩散, 速度和浓度逐渐降低。当灭火剂施放结束, 舱体内各位置浓度分布比较均匀。当六氟丙烷用量为2.09 kg, 舱体内六氟丙烷浓度约为9%, 可达到灭火浓度要求。

摘要：基于流体力学基本理论, 结合k-ε双方程湍流模型, 建立了描述六氟丙烷灭火剂灭火过程中施放、流动和扩散行为的数学模型。利用建立的数学模型对一试验舱体内六氟丙烷灭火剂的施放、流动和扩散过程进行了模拟分析, 得到了详细的流场和浓度分布情况。模拟结果表明, 当六氟丙烷用量为2.09 kg时, 舱体内六氟丙烷浓度约为9%, 可达到灭火浓度要求。

关键词：六氟丙烷,灭火,流动,数值模拟

参考文献

[1] 谈玲华, 李勤华, 冒爱琴, 等.六氟丙烷热分解性能及机理研究[J].南京理工大学学报:自然科学版, 2010, 34 (005) :691-695.

[2] 陆聆泉.手提式六氟丙烷灭火器灭B类火能力研究[J].消防科学与技术, 2008, 27 (5) :343-346.

[3] 陈泽民, 刘连喜, 张丽梅, 等.气体灭火系统技术的发展及现状[J].消防科学与技术, 2005, 24 (6) :721-724.

[4] 黄勇.六氟丙烷灭火系统的应用[J].消防技术与产品信息, 2006, 11:010.

[5] 王承尧, 流体力学, 王正华, 等.计算流体力学及其并行算法[M].国防科技大学出版社, 2000.

[6] 熊莉芳, 林源, 李世武.k-ε湍流模型及其在FLUENT软件中的应用[J].工业加热, 2007, 36 (4) :13-15.

[7] 李文华, 苏明军.常用湍流模型及其在FLUENT软件中的应用[J].水泵技术, 2006 (4) :39-40.

[8] Yonghua Hu eatl.Experimental study on the thermal decomposition of 2-H heptafluoropropane[J].Journal of Analytical and AppliedPyrolysis, 2011, (27) :27-32.

[9] 尚久方, 操时杰.兰氏化学手册[M].北京:科学出版社, 1991.

[10] 陶文栓.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社, 2011.347-375.