本發(fā)明涉及滅火劑氣-液兩相流動(dòng)特性相關(guān)研究領(lǐng)域及cfd數(shù)值仿真計(jì)算領(lǐng)域，具體地說是一種高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑空間流動(dòng)擴(kuò)散特性的數(shù)值計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、高沸點(diǎn)氣體滅火劑是指常溫下呈液態(tài)，釋放后能迅速氣化并以全淹沒形式滅火的滅火劑；它具有較低的odp、gwp和alt值，同時(shí)具有很高的滅火效能。然而，由于滅火劑的沸點(diǎn)較高，常溫下為液態(tài)，不易氣化，嚴(yán)重影響其滅火能力的充分發(fā)揮。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者主要利用實(shí)驗(yàn)來研究該類滅火劑的流動(dòng)與滅火性能，但受制于測(cè)量手段，很難對(duì)其流動(dòng)擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行非常精細(xì)的測(cè)量與分析，而數(shù)值仿真方法正好能彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究在此方面的不足。因此，開展高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑空間流動(dòng)擴(kuò)散特性的仿真計(jì)算方法研究對(duì)于指導(dǎo)高沸點(diǎn)氣體滅火劑的研究與應(yīng)用具有重要的理論意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明以離散相(dpm)模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建了滅火劑在流體域的流動(dòng)擴(kuò)散模型，選用rngk-ε湍流模型和組分輸運(yùn)模型，并開啟能量方程；采用蒸發(fā)沸騰模型計(jì)算液滴的相變過程，采用tab破碎模型計(jì)算液滴的破碎過程，并使用udf函數(shù)定義液滴飽和蒸氣壓隨溫度的變化函數(shù)和滅火劑蒸氣與空氣間的二元擴(kuò)散系數(shù)。本發(fā)明所提供的高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑空間流動(dòng)擴(kuò)散特性的仿真計(jì)算方法可針對(duì)不同操作條件下的高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑的流動(dòng)擴(kuò)散特性進(jìn)行仿真計(jì)算。

2、同時(shí)本發(fā)明設(shè)計(jì)了可用于高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑空間流動(dòng)擴(kuò)散特性的評(píng)價(jià)方法，通過分析流體域內(nèi)滅火劑蒸氣及溫度分布云圖、蒸氣質(zhì)量的變化速率等參數(shù)，來評(píng)價(jià)不同操作條件下滅火劑的空間流動(dòng)擴(kuò)散特性，并通過數(shù)值擬合分析不同操作條件對(duì)滅火劑流動(dòng)擴(kuò)散影響的關(guān)聯(lián)關(guān)系；能夠?yàn)闇缁饎┑目臻g流動(dòng)擴(kuò)散特性的研究提供一定的理論指導(dǎo)。

3、本發(fā)明的目的在于提供一種高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑空間流動(dòng)擴(kuò)散特性的數(shù)值計(jì)算方法，包括以下步驟：

4、s1：針對(duì)氣體滅火劑全淹沒滅火形式的特點(diǎn)，構(gòu)建相應(yīng)的流場區(qū)域幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入到fluent軟件中；

5、s2：基于高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑的流動(dòng)特性建立數(shù)學(xué)模型；

6、s3：根據(jù)高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑的空間流動(dòng)特性指定相應(yīng)的邊界條件；

7、s4：設(shè)定高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑液體及其蒸氣的物性參數(shù)，設(shè)置離散化的液滴，并為液滴賦值初始狀態(tài)信息；

8、s5：計(jì)算高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑離散化液滴所受合力，設(shè)置液滴相變模型、破碎模型及阻力系數(shù)，采用udf設(shè)定液滴飽和蒸氣壓隨溫度的變化函數(shù)和滅火劑蒸氣與空氣之間的二元擴(kuò)散系數(shù)。

9、s6：開展高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑空間流動(dòng)的仿真計(jì)算，以研究高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑的空間釋放流動(dòng)擴(kuò)散特性。

10、優(yōu)選地，s1中，流體域的幾何模型為直徑1m，高4m的圓柱體，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行o型切分，中間區(qū)域進(jìn)行局部加密，設(shè)定相應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，最終計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為18萬。

11、優(yōu)選地，s2中，選用rng?k-ε模型，滅火劑在流體域的流動(dòng)速度較快，會(huì)產(chǎn)生一定的湍流擾動(dòng)，rng?k-ε湍流模型相比前人使用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型通過修正湍流粘度，考慮了平均流動(dòng)中的旋流流動(dòng)情況，使得模型能夠更準(zhǔn)確地描述復(fù)雜剪切流動(dòng)。相比前人使用的sst?k-ω湍流模型更適用于高雷諾數(shù)流體的流動(dòng)，更符合滅火劑的實(shí)際流動(dòng)情況。dpm模型可以考慮顆粒與連續(xù)相之間的相互作用，更好地計(jì)算粒子的流動(dòng)軌跡等信息；此外，dpm模型提供了5種顆粒類型，其中的droplet可以很好地模擬液滴的氣化過程。組分輸運(yùn)模型可以通過求解每種組分的對(duì)流、擴(kuò)散守恒方程，對(duì)化學(xué)組分的混合進(jìn)行建模，在計(jì)算滅火劑的流動(dòng)過程中，可以通過組分輸運(yùn)模型計(jì)算流體域內(nèi)滅火劑的蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

12、優(yōu)選地，s3中，本發(fā)明針對(duì)滅火劑液滴研究在空間內(nèi)的流動(dòng)擴(kuò)散特性，經(jīng)過研究環(huán)境因素對(duì)滅火劑流動(dòng)擴(kuò)散的影響，入口邊界條件設(shè)置為速度入口，其余邊界設(shè)置為壓力出口，離散相與其作用形式為逃逸類型，采用壓力基求解器，采用simple算法，離散方式采用二階迎風(fēng)格式，進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。

13、優(yōu)選地，s4中，液滴的粒徑可采用uniform分布、雙r分布等，粒徑根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，滅火劑液滴及蒸氣和空氣的物性參數(shù)可通過美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(nist)數(shù)據(jù)庫獲取。

14、優(yōu)選地，s5中，為更準(zhǔn)確地描述滅火劑的空間流動(dòng)擴(kuò)散過程，考慮重力、溫度相關(guān)潛熱和破碎力。為準(zhǔn)確地計(jì)算液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，液滴所受合力由下式計(jì)算：其中mp為液滴質(zhì)量，為連續(xù)相速度，為液滴速度，ρ為連續(xù)相密度，ρp為液滴密度，是附加力，是阻力；τr是液滴的松弛時(shí)間，計(jì)算公式為其中，μ是連續(xù)相粘度，dp是液滴粒徑，re1是相對(duì)雷諾數(shù)，由下式計(jì)算：

15、此外，為準(zhǔn)確地模擬液滴氣化過程，使用蒸發(fā)沸騰模型計(jì)算液滴的相變，遵循的熱平衡方程為：

16、其中，cp是液滴的比熱容，tp是液滴溫度，h是對(duì)流換熱系數(shù)，t∞是連續(xù)相溫度，是汽化潛熱。在氣化過程中涉及到惰性傳熱、蒸發(fā)和沸騰3個(gè)不同階段，液滴依據(jù)滿足的條件在相應(yīng)的階段進(jìn)行氣化。液滴氣化過程中的驅(qū)動(dòng)力來源于飽和蒸氣壓，采用udf函數(shù)定義滅火劑計(jì)算溫度范圍內(nèi)的飽和蒸氣壓。氣體間的二元擴(kuò)散系數(shù)也是影響氣體分散性的因素之一，采用udf函數(shù)定義與連續(xù)相溫度相關(guān)的二元擴(kuò)散系數(shù)。

17、滅火劑氣化過程中考慮二次破碎，使用tab模型下的破碎控制方程

18、

19、式中，y0＝y(tǒng)(0)，破碎后子液滴的粒徑與液滴速度通過母液滴的能量確定，子液滴的粒徑和速度通過下式計(jì)算：

20、其中，ρg和ρl是連續(xù)相和離散相的密度，u是液滴相對(duì)速度，r是未受擾動(dòng)的液滴半徑，σ是液滴表面張力，ul是液滴粘度，ck、cb和cf是無量綱常數(shù)，分別取8、5和k為振蕩總能量與基模能量之比，y是畸變?cè)鲩L量與液滴半徑臨界比。

21、液滴的阻力系數(shù)準(zhǔn)確與否決定著液滴流動(dòng)模型的準(zhǔn)確性，其阻力系數(shù)選擇dynamic?drag模型，它可以與tab模型兼容用于破碎過程，此模型中，將液滴假設(shè)為球型，具體取值與雷諾數(shù)相關(guān)(re)，該模型的阻力系數(shù)(cd)為

22、

23、優(yōu)選地，s6中，滅火劑流動(dòng)過程中，隨著氣液相之間熱量的傳遞，相變持續(xù)進(jìn)行，使用fluent監(jiān)測(cè)流體域內(nèi)的蒸氣質(zhì)量流量；對(duì)仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過流體域內(nèi)滅火劑的蒸氣質(zhì)量流量變化速率及液滴氣化質(zhì)量比率評(píng)價(jià)不同操作條件下高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑的空間流動(dòng)擴(kuò)散特性，并通過數(shù)值擬合分析影響因素對(duì)高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑流動(dòng)擴(kuò)散特性影響的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

24、本發(fā)明的一種高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑空間流動(dòng)擴(kuò)散特性的數(shù)值計(jì)算方法有以下有益效果：

25、本發(fā)明通過模型構(gòu)建、設(shè)置計(jì)算參數(shù)、優(yōu)化相變模型進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，計(jì)算了不同影響因素下滅火劑的蒸氣質(zhì)量變化速率和蒸氣氣化質(zhì)量比率，得出了影響因素對(duì)高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑氣化的影響規(guī)律；

26、本發(fā)明數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，高沸點(diǎn)氣體滅火劑的數(shù)值計(jì)算方法可以較好地計(jì)算出滅火劑釋放后的流動(dòng)軌跡，環(huán)境因素與理化性質(zhì)對(duì)滅火劑的流動(dòng)擴(kuò)散有著重要的影響，在以沸騰速率進(jìn)行氣化時(shí)，滅火劑的蒸氣質(zhì)量流量和液滴氣化質(zhì)量比率相對(duì)于蒸發(fā)氣化時(shí)均大幅度提升；本發(fā)明可有效地計(jì)算高沸點(diǎn)化學(xué)氣體滅火劑的流動(dòng)擴(kuò)散過程，可比較準(zhǔn)確的反應(yīng)滅火劑的流動(dòng)擴(kuò)散特性，可以為滅火劑的空間流動(dòng)擴(kuò)散特性提供一定的理論指導(dǎo)。