Численное моделирование движения огнетушащей жидкости в проточной части установки импульсного пожаротушения (УИП)

Дмитриченко А.С. к.т.н., доц.; Качанов И.В. д.т.н, проф.; Кудин М.В. к.т.н., доц; Шаталов И.М. ст. преп.

Вода на настоящий момент является одним из самых распространенных средств пожаротушения. До 90 % всех пожаров ликвидируется именно водой, и это наиболее простой, экологически чистый и дешевый способ [1,2]. Традиционное оборудование (пожарные стволы или стационарные системы пожаротушения) хотя и очень надежно, но имеет ряд недостатков, основным из которых является нанесение значительного ущерба вследствие применения чрезмерного количества воды.

Это привело к тому, что в настоящее время все большее внимание уделяется повышению эффективности тушения водой за счет уменьшения подаваемого удельного расхода и увеличению степени использования огнетушащего вещества (ОТВ). Это достигается использованием при тушении пожаров распыленной воды (РВ) и составов на ее основе, подаваемых к месту пожара различными системами, установками и устройствами. Например, установками импульсного пожаротушения (УИП) в состав которых входит ствол пожаротушения импульсный (СПИ).

Основным техническим устройством УИП, подающим ОТВ на формирование струи РВ, является ствол, который в общем случае состоит из газовой (воздушной) и жидкостной (водяной) камеры, соединенных быстродействующим клапаном. На выходе ствола может устанавливаться насадок с распылителем, чаще всего выполняемый из гибкого материала (резины). При открытии клапана происходит вытеснение рабочим газом жидкости через насадок с распылителем в окружающее пространство. Основными характеристиками, влияющими на режим истечения жидкости и процесс формирования распыленной струи являются: давление в газовой (воздушной) камере ствола, скорость подачи распыливающего сжатого газа, количество жидкости в жидкостной (водяной) камере, диаметр отверстия насадка с распылителем и геометрические размеры самого ствола (т.е. длины газовой и жидкостной камер).

Геометрическая модель ствола УИП представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Геометрическая модель СП-И

Газ и жидкость располагаются в цилиндрическом резервуаре диаметром и занимают объемы, характеризующиеся длинами и , разделенные плоской твердой границей с конически расходящимся насадком. При этом газ находится под давлением , жидкость – при давлении окружающей среды . Далее жидкость вытесняется через цилиндрический насадок диаметром и длиной в окружающую среду.

При этом предполагается (в отличие от предыдущих исследователей), что в процессе вытеснения граница раздела жидкость-газ подвержена неустойчивости Рэлея-Тейлора, а также действию других факторов, разрушающих её структуру и имеет криволинейную форму в виде овала или в виде параболы (рисунок 2).

Для Vв<50 м/с, t=0.02c.	Vв>50 м/с , t=0.005c.

Рисунок 2 – График изменения соотношения воздух-вода в потоке газо-жидкостном потоке при скоростях подачи распыливающего сжатого газа < 50 м/с и > 50 м/с

В стволе УИП происходит импульсное вытеснение жидкости сжатым газом, которые можно считать неустановившимся резкоизменяющимся (импульсным) движением распыливаемой жидкости с адиабатическим расширением распыливающего газа в стволе УИП и на выходе из него.

Такое движение можно моделировать путем использования 2-х уравнений: уравнения импульса и уравнения неразрывности с учетом инерционных потерь давления. Систему этих уравнений можно записать следующим образом

. (1)

Численное моделирование движения жидкости в стволах УИП проводилось в современном пакете вычислительной гидрогазодинамики ANSYS CFX, в который включены различные математические модели, в том числе и модели движения двухфазных потоков (жидкость-газ) и распыления жидкостей

Поэтому при моделировании использовались выше записанная система уравнений (1).

Для численного моделирования движения огнетушащей жидкости в стволе УИП в качестве объекта была выбрана жидкостная (водяная) камера ствола УИП, основные геометрические параметры, которой полностью соответствовали реальным размерам ствола, используемым в практике пожаротушения в Республике Беларусь и за рубежом. Расчетная область определялась координатами X, Y, Z декартовой системы координат, задающимися путем твердотельного моделирования жидкостной (водяной) камеры в пакете «ANSYS CFX».

При моделировании движения огнетушащей жидкости в стволе УИП использовались следующие модели и условия на входе распыливающего газа в распыливаемую жидкость в жидкостной (водяной) камере ствола:

1. Модель движения газа и жидкости в жидкостной камере «Эйлера»;

2. Модель двухфазного массопереноса «Zwart-Gtrber-Belamri»;

3. Модель турбулентности: К-e.

Условия на входе в жидкостную (водяную) камеру:

1. Объемная доля жидкости – 100 %.

2. Температура (статическая) – const.

3. Максимальное статическое давление – 2,5 МПа.

Условие на выходе из жидкостной камеры:

1. Статическое давление – 0,1 МПа.

2. Объемная доля жидкости – 0 %.

3. Температура (статическая) – const.

4. Скорость подачи распыливающего сжатого газа варьировалась в пределах 5-50 м/с; 50-100 м/с; 100-200 м/с; свыше 200 м/с.

Моделирование проводилось с различными соотношениями , применяемых в практике пожаротушения.

Дискретизация по пространству осуществлена в расчетной области сетки, состоящей из 2,1 млн. ячеек.

Сетка имеет адаптацию ячеек в наиболее интересных для изучения участках жидкостной (водяной) камеры ствола УИП. В результате численного моделирования получены гидродинамические характеристики движения жидкости в жидкостной (водяной) камере ствола УИП (рисунки 3, 4).

Рисунок 3 – График изменения осевой скорости перемещения границы раздела фаз «газ-жидкость» при скоростях подачи распыливающего сжатого газа < 50 м/с и > 50 м/с

Рисунок 4 – График изменения во времени соотношения воздух-вода на выходе из ствола УИП при различных положениях оси ствола УИП в пространстве (+90⁰ , +45⁰, 0⁰, -45⁰) для скорости подачи распыливающего сжатого газа < 5 м/с и > 50 м/с

Проведенное моделирование позволило сделать следующие выводы:

1. На основании теоретического и компьютерного моделирования с использованием уравнений импульса и неразрывности установлена картина течения и создана математическая модель движения огнетушащей жидкости внутри ствола установки импульсного пожаротушения.

2. В результате проведенного компьютерного моделирования установлено, что в результате взаимодействия распыливающего газа с распыливаемой жидкости граница раздела фаз имеет не плоскую, а криволинейную форму. Причем при скоростях течения распыливающего сжатого газа до 50 м/с эта граница имеет форму параболы, а при скоростях – 50-300 м/с – форму овала, вытягивающегося в симметричную параболу.

3. Проведенное компьютерное моделирование при различных скоростях подачи распыливающего сжатого газа в жидкостную камеру (изменение скорости сжатого газа варьировалось в пределах от 5 м/с до 200 м/с и выше) позволило установить режимы течения и диспергирования (распада и распыления) огнетушащей жидкости в зависимости от размеров жидкостной камеры (её диаметр d_р) и размеров отверстия истечения (d_и). Было установлено, что при соотношениях наблюдался резкоизменяющийся (импульсный) характер течения огнетушащей жидкости с волнообразным распадом (диспергированием или распылением) струи жидкости; при движение огнетушащей жидкости в стволе УИП приобретало элементы квазистационарного течения с волнообразным у отверстия истечения и последующим турбулентно-пульсационным распылением; при движение жидкости в стволе УИП, из-за резкого увеличения гидравлического сопротивления отверстия истечения, можно считать (с определенной степенью допущения) квазистационарным, но при этом начиналось кавитационное, а затем и чисто инерционное (даже сверхзвуковое) распыление жидкости в плоскости отверстия истечения или в непосредственной близости от него.

В заключении следует отметить, что установленные режимы течения огнетушащей жидкости в проточной части ствола УИП и на выходе из него позволяют выбрать наиболее оптимальные конструктивные и гидродинамические параметры ствола УИП для тушения пожаров различной сложности.

Литература

1. Корольченко, А.Я. Технология импульсного водяного пожаротушения IFEX 3000 / А.Я. Корольченко // Пожаровзрывобезопасность. – 2001. – № 2. – С. 3–5.

2. Дауэнгауэр, С.А. Пожаротушение тонкораспыленной водой: механизмы, особенности, перспективы / С.А. Дауэнгауэр // Пожаровзрывобезопасность. – 2004. – № 6. – С. 78–81.