Компьютерное моделирование истечения огнетушащей жидкости из ствола установки импульсного пожаротушения

Дмитриченко А.С. к.т.н., доц.; Качанов   И.В. д.т.н., проф.;

Кудин М.В. к.т.н., доц.; Кулебякин В.В. к.т.н., доц.; Шаталов И.М. ст. преп.

 

В настоящее время все больше внимание уделяется повышению эффективности тушения пожаров за счет использования распыленной воды. В республике Беларусь и за рубежом основным техническим устройством формирования распыленных струй в импульсном режиме является переносная установка импульсного пожаротушения (УИП).

Анализ публикаций показал, что несмотря на широкое распространение технологий импульсного пожаротушения, в настоящее время отсутствуют научно обоснованные методики, позволяющие определить быстродействие и интенсивность подачи огнетушащих веществ при использовании УИП, что снижает эффективность их применения.

Кроме того, область использования УИП ограничена отсутствием возможности изменения параметров распыленной струи в процессе пожаротушения.

С этой целью было проведено компьютерное моделирование формирования и движения распыленной огнетушащей жидкости на выходе из ствола УИП.

Компьютерное моделирование формирования и движения распыленной огнетушащей жидкости на выходе из ствола УИП  так же проводилась в программном комплексе «ANSYS CFX», на   модели ствола УИП геометрические размеры которого соответствовали реальным размерам ствола  УИП, используемого при пожаротушении. При численном моделировании этого процесса использовалась математическая модель массопереноса двухфазного потока, система уравнений распыливания жидкости

  .                                     (1)

 и уравнение динамики пузырька Релея-Плессета

 

                   .                                                            (2)

Упрощенная запись уравнения движения пузырька позволила создать три модели массопереноса при движении распыленной огнетушащей жидкости на выходе из ствола УИП: модель Singhal; модель Zwart-Gerber-Belamri и модель Schnerr-Saner [1].

При моделировании распыленной огнетушащей жидкости на выходе из ствола УИП использовались следующие модели и условия на входе – выходе:

1.     Модель течения (распыления): Эйлера.

2.     Модель массопереноса распыленной жидкости Schnerr-Saner.

3.     Модель турбулентности: К-e.

Условия на входе в торцевое отверстие ствола УИП:

1.     Объемная доля воды – 100 %.

2.     Температура (статическая) –   const.

3.     Статическое давление 25×105 Па.

Условия на выходе из торцевого отверстия ствола УИП:

1.     Статическое давление – 1×105 Па.

2.     Истечение в неограниченное пространство с атмосферным давлением.

В процессе моделирования постоянно менялась скорость подачи распыливающего сжатого газа в пределах от 5  до 200 м/с и выше.

При разработке модели формирования распыленной струи, истекающей через гибкий распылитель, предполагалось, что жидкость, выходящая через радиальные пазы между лепестками распылителя, не доставляется в зону пожара.

Режимы распада струи ограничены следующими значениями критерия Вебера [2]:

                              ,                                   (3)

                             ,                                  (4)

где  - динамическая вязкость жидкости.

При небольших скоростях истечения, когда критерий Вебера , происходит осесимметричный распад истекающей струи, и в данном случае главную роль играют силы инерции, трения и поверхностного натяжения, под воздействием которых на поверхности струи образуются симметричные волны, развитие которых приводит к разрушению струи (рисунок 1). С увеличением скорости истечения происходит смещение критерия Вебера в интервал  и течение переходит в турбулентно-импульсный режим (рисунок 2).

                                      а)                                                             б)                           

Скорость воздуха 50 м/с:

а) – формирование струи огнетушащей жидкости на выходе из жидкостной камеры ствола УИП при скорости подачи распыливающего сжатого газа 50 м/с; б) – график изменения во времени скорости движения огнетушащей струи (на оси ствола) на выходе из жидкостной камеры ствола УИП при скорости подачи распыливающего сжатого газа 50 м/с

Рисунок 1 ­

    

                                      а)                                                                                    б)  

Скорость воздуха 100 м/с:

а) – формирование струи огнетушащей жидкости на выходе из жидкостной камеры ствола УИП при скорости подачи распыливающего сжатого газа 100 м/с; б) – график изменения во времени скорости движения огнетушащей струи (на оси ствола) на выходе из жидкостной камеры ствола УИП при скорости подачи распыливающего сжатого газа 100 м/с

Рисунок 2

В этом режиме возникают пульсационные силы давления, поперечные составляющие которых вызывают на поверхности струи нерегулярные волны, колебание струи в целом и ее последующее разрушение в режиме сохраняющегося волнообразного распада. Дальнейшее увеличение скорости истечения приводит к увеличению критерия Вебера до значений , при этом возрастает интенсивность турбулентного перемешивания и турбулентно-пульсационный режим распыливания переходит в чисто инерционное распыление (с возможной кавитацией), вследствие чего, струя начинает распадаться непосредственно у отверстия истечения в режиме кавитационно-инерционного распыла
 (рисунок 3).

 

 

а)   t = 0.0021с

 

б)   t=0.0024с

а) – гидродинамические характеристики ствола в момент времени

 t = 0.0021 c при скорости подачи распыливающего сжатого газа более 100 м/с; Графики изменения скорости движения огнетушащей жидкости на выходе (оси) из ствола УИП (скорость подачи распыливающего газа > 100 м/с);

б) – гидродинамические характеристики ствола в момент времени

 t = 0.0024 c при скорости подачи распыливающего сжатого газа более 100 м/с;  графики изменения давления движения огнетушащей жидкости на выходе (оси) из ствола УИП (скорость подачи распыливающего газа > 100 м/с)

Рисунок 3

Ввиду того, что скорость истечения жидкости из стволов УИП изменяется во времени, при использовании УИП возможен распад истекающей струи в нескольких   режимах.

Следует отметить, что компьютерное моделирование показало, что осесимметричное волновое распыление появляется при скоростях распыливающего сжатого газа порядка до 100 м/с; турбулентно-пульсационное  – 100-200 м/с, а инерционное – свыше 200 м/с (в виде облака водяной пыли).

 На базе компьютерного моделирования процесса истечения огнетушащей жидкости из ствола УИП с использованием уравнения  Релея-Плессета установлены границы режимов распада струи. Причем при скоростях движения распыливающего сжатого газа от 30 до 100 м/с наблюдается режим волнообразного распада распыливаемой жидкости (рисунок 2), который сопровождается появлением капель со средним диаметром 250-750 мкм; при скоростях сжатого газа 100-200 м/с – турбулентно-пульсационное распыление со средним диаметром капель от 100 до 500 мкм; при скоростях сжатого газа свыше 200 м/с наблюдается тонкодисперсный (10-100 мкм) распад двухфазного потока жидкости на капли под действием кавитации и внешних инерционных сил, действие которых обусловлено трением между струями газа и жидкости, непосредственно в плоскости выходного отверстия, сопровождающиеся тонкодисперсным облаком водяной «пыли».

При практическом использовании СП-И УИП  для тушения пожаров основные механизмы прекращения горения воды и составов на ее основе наиболее полно реализуются при прохождении капель распыленной струи через пламя, нагретые продукты сгорания и при непосредственном контакте с поверхностью горящего вещества. Поэтому найденное путем компьютерного моделирования гидродинамические характеристики распада и распыления огнетушащей жидкости позволяют найти оптимальные количественные рабочие параметры стволов УИП для тушения пожаров различной категории сложности.

 

Литература

1.            ANSYS FLUENT12.0 Theory Guide, Аpril 2009. ANSYS Inc.

2.            Альтшуль, А.Д. Гидравлика и аэродинамика: учеб. для вузов / А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, Л.П. Иванов. – М.: Стройиздат, 1987. – 413 с.