Аспекты моделирования динамики водяного распылителя в пожарах

Аспекты моделирования динамики водяного распылителя в пожарах.

Маршал А. В. И М. Ди Марзо – управление инженерией противопожарной зациты. Университет Мэриленд, Коледж Парк, МД, США.

Распылители широко используются в различных противопожарных исполнениях. Эти системы необходимы для эффективного выполнения в широком диапазоне чрезвычайно суровых условий эксплуатации. Производительность разбрызгивателей зависит от начальных условий, образования тумана, дисперсионных и поверхностных характеристик охлаждения брызг, созданных этими устройствами. Работа спринклерных распылителей сильно связана с динамикой пожара в окружающей среде, что делает характеристику данных спреев и их соответствующее выполнение довольно сложной задачей. Данная статья предусматривает дискуссию о важных фундаментальных процессах доставки распыленной воды в очаг пожара. Математические модели предназначены для этих процессов с целью количественно охарактеризовать производительность распыления спреев. Эти модели хорошо подходят для включения в моделях вычислительной гидродинамики или в другие иструменты моделирования огня для того, чтобы анализировать и прогнозировать производительность пожаротушения.

Ключевые слова: пожар, подавление огня, спрей, распылитель

Введение.

Распылители используются почти повсеместно в разработке систем противопожарной защиты. Простота и эффективность данных устройств, сделали их популярным выбором для пожаротушения в течение многих лет. Элемнетарные механизмы подавления на водяной основе извлекают тепло из горючих газов с помощью пара (мельчайших капель воды), вытеснения кислорода в результате перемещения воздуха из-за притяжения пара и расширение, ослабление тепла пористого тела путем абсорбции и, в меньшей степени, рассеяния теплового излучения поверхности, охлаждения водой парообразования увлажненных объектов. Эти основные механизмы необходимо четко понимать; однако, подробные физические модели описания и прогнозирования их поведения появляются только в текущее время, в основном из-за сложных начальных и граничных условий процессов. В научных исследованиях пожаров, проектирования системы защиты, и даже причин возникновения пожаров, часто интерес для изучения представляют способы подавления пожаров. Развитие вычислительной гидродинамики позволило моделировать поведение газа (или непрерывную фазу) в пожарах с высокой степенью точности. Однако, прежде чем эти инструменты могут быть использованы для анализа пожаротушения, подробно описана физика активации, атомизации, дисперсии распылением и охлаждения поверхности по каплям может быть реализована в CFD. Сильная связь между непрерывной и дисперсной фазами, о чем свидетельствует само существование подавления, позволяет описать точные модели дисперсной фазы, необходимые для анализа пожарной защиты. Данный документ характеризует поведение разбрызгивателя во время тушения и предложены мат. модели, описывающие важные физ. Процессы подавления огня. Взаимодействие между пожаром и туманом остается в центре внимания исследования для прогнозирования и характеризует спринклерную дисперсию распыления. Новожилов (2001) и Грант (2000) тщательно описывают взаимодействие пожара и тумана в результате подавления. Следует отметить, что это взаимодействие легко предсказываются в CFD с использованием хорошо разработанными математическими моделями, которые кратко рассмотрены в настоящем документе, при условии, что время активации пожара в окружающей среде и исходные характеристики перепада известны. Тем не менее, модели для прогнозирования времени активации и начальные характеристики падения только сейчас появляются, что делает дисперсионные прогнозы сложными. Модели, описывающие взаимодействие капелек на поверхности, также важны, и процесс часто пренебрегают при моделировании распыленного потока. Обсуждение этих критических, но в значительной степени неизведанных соображений выделено в этой статье.

Активация распылителя.

Первичные распылители.

Первый тип распылителей, который активируется на горячие газы из потока пожара, располагаясь сверху ним идентифицируется как первичный спринклер. Время активации этой спринклерной системы хорошо характеризуется в литературе и в противопожарной защиты инженерной практике (Heskestad и Билл, 1988). Прогностическая модель основана на простых сосредоточенных теплоемкостях переходных газов анализа с учетом тепла хранится в сети активации спринклеров и конвективный перенос тепла от горячих газов к самой магистрали. Когда устройство достигает температуры активизации, оно разрушается, открывая выпускной наконечник, и активируется поток воды. Параметр идентифицируется как индекс времени отклика (RTI) вводится в группе физических характеристик линии спринклеров. Пользуясь РТИ, время активации оценивается как:

1.

Следует отметить, что отношение RTI и квадратному корню скорости газа представляет собой постоянную времени системы. Кроме того, RTI считается постоянным для данного спринклера в широком диапазоне условий. Тем не менее, некоторые вариации в RTI наблюдаются с направлением спринклера по отношению к потоку газа. В частности, когда ориентация такова, что оба плеча и магистраль подвергаются одновременно с потоком, значения RTI ниже, чем для ориентации, где одно плечо сначала с последующей ссылкой спринклера и второго плеча. Это второе решение характеризуется как параллельный поток.

Вторичные распылители.

Если основной спринклер активен, вода вводится в газообразном потоке в виде капель. Детали формирования распыления будут рассмотрены в следующем. Достаточно сказать, что крупные капли будут путешествовать вниз в то время как огонь факела мелкие капли будут располагаться в восходящем потоке и может достигать в расположение соседних (вторичных) разбрызгивателей. Более мелкие капли испаряются, как они реагируют с горячими газами. Некоторые капли промежуточных размеров достигают поверхности вторичных связей спринклеров и располагаются на них. Предыдущий анализ для первичной спринклерной системы изменен, чтобы отразить вклад испарительного охлаждения введенного с помощью этих капель воды. Объемная доля капелек вводится, чтобы связать объемный расход воды к скорости потока воздуха. Эффективность сбора представляет собой часть этих капель воды, которые влияют на связь. Сметная стоимость эффективности сбора составляет 97% капель, которые проходят через площадь поперечного сечения спринклерной линии (Aihara и Фу, 1986). Термин испарительного охлаждения затем дается как произведение расхода воздуха, объемной доли воды, ее плотности, коэффициента сбора и скрытой теплоты парообразования воды. Для упрощения обозначений, испарительного охлаждения параметр С вводится, получая следующий результат (Руфино и ди Marzo, 2003):

2.

Эта формулировка основана на предположении, что существует мало шансов значительного наполнения воды на магистраль. (Гриссом и Wierum, 1981; Палеев и Филиппович, 1966; Берри и Гросс, 1972). Учитывая, что коэффициент теплопередачи, в диапазоне чисел Рейнольдса отношения (т. е. 40-1000), зависит от квадратного корня скорости (Жукаускас и Ziugzda, 1985), время активации представлено в виде:

3.

Знание скорости газа, а также от воды объемной фракции необходимо, чтобы оценить время активации для вторичных разбрызгивателей. Это удобно связать испарительного охлаждения параметр для спринклерной РТИ. Представляя ошибку менее чем на 8%, можно получить следующую оценку испарительного охлаждения параметра:

4.

Сравнение времени активации, полученных экспериментально с помощью нескольких сотен коммерческих разбрызгивателей в различных условиях подтверждают, что эта модель предсказывает достаточно хорошо время активации вторичных разбрызгивателей. На рисунке 1 представлена сводка измеренных и вычисленных времен активации для различных условий. Некоторые расхождения наблюдаются только для оросителей лампового типа в ориентации параллельно потоку, потому что плечо, ведущее в потоке, эффективно защищает спринклер от капель воды. Это приводит к уменьшению эффекта испарительного охлаждения. Таким образом, в этом конкретном случае, модель, как правило, в течение оценки времени активации до 50%. На чертеже представлена точка полного символа относящейся к этой ситуации.

Образование тумана.

Спрей формируется путем разбиения объема жидкости на мелкие капли. Этот процесс называют атомизацией. Распыление облегчает дисперсию воды на большой площади покрытия для защиты вещей еще не участвующих в огне. Кроме того, распыление значительно увеличивает площадь поверхности водимого объем воды. Это увеличение площади поверхности есть результат расширенного испарительного охлаждения горячего дыма от пожара. Охлаждение этого дыма уменьшает обратную связь тепла от огня, в результате борьбы с ним или даже гасит пламя.

Рис.1

Процесс Атомизации.

Для спринклерных распылителей, распыление состоит из трех этапов, как показано на рисунке 2. Во-первых, струя формируется на выходе из инжекционного отверстия падает на запорную планку, чтобы сформировать тонкий лист. Этот тонкий лист распадается более легко, чем струи относительно большого диаметра, сформированного на выходном отверстии. Далее, аэродинамические волны устанавливаются на жидком листе, в результате неизбежных малых возмущений в потоке. Эти аэродинамические волны неустойчивы и растут до критической амплитуды, которая вынуждает лист пробиться в кольцевых связках. Эти связки также подвержены нарушениям и формированию аэродинамических волн. Наконец, волны на этих связках вырастают до критической амплитуды и разрывают связки в небольших фрагментах, которые по контракту (за счет поверхностного натяжения) образуют сферические капельки.

Моделирование Атомизации.

Для того чтобы предсказать дисперсию потока, необходимы модели распыления и падение дисперсионных частиц (отслеживание частиц). В моделях распыления необходимо предоставить начальные условия для моделей слежения частиц. Важными начальными условиями являются начальное расположение капель, скорость капли и её размер. Эти величины могут быть легко определены из тщательного моделирования каждого этапа процесса распыления.

Формирование водяной пленки.

Скорость и толщина жидкого листа являются критическими параметрами, которые регулируют процесс распыления. Конфигурация инъекции спринклера напоминает, струя падает. Теория свободной поверхности падающей струи используется для определения толщины пленки жидкости и скорость тонкого листа, образованного на дефлектор спринклера (Watson, 1964). Уотсон описывает радиальное распространение и рост пограничного слоя струи жидкости над горизонтальной плоскостью, отличающей четыре области потока, как показано на рисунке 2.

Рис.2

Регион 1

Это область стагнации (г < Djet = 2). Скорость вне пограничного слоя резко возрастает от нуля в критической точке к U0, это скорость, с которой струя ударяет об пол. Эффект стены содержится в очень тонком граничном слое, который мал по сравнению с толщиной пленки.

Регион 2

Это область пограничного слоя подобная решению Блазиуса. Скорость вне пограничного слоя не зависит от данного слоя последнего и остается почти постоянной и равной U0. В этой области, пограничный слой растет, пока стена не влияет на всю толщину пленки.

Регион 3

Это переходная область. Весь поток из пограничного слоя с профилем скорости, задан решением Бласиуса. Свободная поверхность возмущается вязким напряжением. Профиль скорости, как и r увеличивается; Однако, скорость на свободной поверхности остается примерно равной U0.

Регион 4

В этой области, скорость свободной поверхности затухает быстрее с r. Профили скорости в этой области может быть описано с помощью подобия раствора без Блазиуса. Теория Уотсона обеспечивает область конкретные выражения для толщины слоя на основе радиального расположения. Исходная толщина листа задается толщиной слоя на краю дефлектора. Диаметр дефлектора, таким образом, является важным параметром регулирования процесса распыления. При диаметре дефлектора, соответствующего радиального расположения в области II, выражение для толщины листа определяется по формуле:

5.

где Djet является диаметр струи, РД радиус дефлектора, и0 начальная скорость струи, и нл является кинематическая вязкость жидкости. Следует отметить, что r0 не радиус сопла спринклерной, но гидравлический радиус струи и может быть вычислена из пульверизатора фактора K где К выражается в единицах м3.Толщина листа HD, можно переписать в виде:

6.

где RL является плотность жидкости и Р это общее манометрическое давление непосредственно перед спринклером. В дефлекторе выхода скорость является радиальной. Средняя скорость листа в этом месте может быть вычислена с помощью сохранения массы между спринклерным отверстием и отражательной пластиной выхода:

7.

Скорость листа считается постоянной и равной U на протяжении всего процесса развала. Когда пленка выходит из пластины защелки, толщина полученного листа продолжает падать, и он расширяется в радиальном направлении. Толщина листа задается:

8.

где Н представляет собой толщину листа вдоль его радиальной протяженности данного радиального места, т. Уравнения (7) и (8) определяют важные параметры листа, которые контролируют характеристики распыления инжектора.

Распад слоя.

Центральным механизмом для распыления является распад жидкого листа, образованного инжектора в связках (именуемого стадии листа связки на рисунке 3). На этом этапе процесса распыления, инициируется распад непрерывного потока жидкости. Модель дисперсии волн используется для прогнозирования роста волн, которые сохраняются на жидком листе (Домбровский и Джонс, 1963). В этой модели волны предполагается наличие на тонком листе жидкости в окружении покоя газа. Баланс сил осуществляется на волнистом листе, учитывая инерцию, давление, вязкие и поверхностные силы натяжения. После значительной переформулировки и упрощения баланс сил может быть выражен в терминах скорости роста волн, присутствующих на жидком листе:

9.

где U является скоростью листа, п волновое (п ¼ 2р = L) волновое число, F является безразмерной амплитудой волны, с является поверхностным натяжением, Ра плотность газа, RL является плотностью жидкости, мл является вязкость жидкости и ч толщина листа. Это уравнение описывает скорость роста для одной волны, имеющей волновое число п. Существуют многочисленные волны различной длины, и соответствующие волновые числа, на жидком листе. Однако, только волновое число наиболее быстро растущей волны, ncrit, ш, представляет интерес.

Рис. 3

Как наиболее быстро растущей волной и соответствующим временем изменения безразмерная амплитуда может быть определена путем интегрирования уравнения (9) по отношению к времени. Если предположить, что скорость листа, U, не будет оставаться постоянной до распада, радиус разрыва, СБР, SH, может быть определен из расчета времени, необходимого для достижения критической безразмерной амплитуды, Fcrit, SH. Эта критическая амплитуда может быть определена экспериментально и не зависит от условий эксплуатации; Однако, она может зависеть от конфигурации общего инжектора (Вебер, 1931; Домбровский и Джонс, 1964).

Лист, предполагается, распадается в кольцевых связках, имеющих внутренний радиус, равный радиусу развала, СБР, SH, радиальная ширина задается lcrit, ш = 2, а толщина задается толщиной листа при разрыве, HBU, SH, Масса связки, mlig, таким образом, задается

10.

Эквивалентный диаметр для связки может быть определен:

11

Распад связки.

Связки, образованные из листового распада также неустойчивы и при условии роста волн, что приводит к фрагментации внутри капли. Простое соотношение для критической длины волны для распада, lcrit, Лиг, дается (Weber, 1931):

12

Этот фрагмент будет сокращаться в капле. Для экономия массы на фрагменте, характеристикой диаметра капелек, Ddrop, является:

13

Вебер (1931) также ввел выражение для времени развала:

14

Расстояние, которое требуется для связок, распадающихся на капли, легко вычисляется по относительной скорости связки, U, и TBU, Лиг. Начальное положение капли, rdrop, затем дается общее расстояние перемещения жидкости до тех пор, пока не образуются капли:

15

Начальная скорость распыления, U, начальный размер капли брызг, Ddrop, и начальное положение распыления, rdrop, полностью определяются уравнениями (7), (13) и (15) соответственно. Эти величины определяются из геометрии спринклера (K, RD), давления впрыска (Р), условий в газовой фазе окружающего потока (Ra, мА), и жидкие свойства (с, RL). Следует отметить, что для текущего препарата скорость газа в непосредственной близости от листа принималась равной нулю; Однако, скорость огня будет увеличивать относительную скорость листа. Эта относительная скорость может заменить скорость листа в уравнении (9). Эти отношения обеспечивают характерные дискретные начальные условия распыления спрея для данной геометрии спринклера и давления впрыска, пожара и жидкого подавления. Конечно, в реальных приложениях, создается множество капель с различными размерами. Для того, чтобы смоделировать это поведение должен быть введен стохастический анализ (Ризк и Mongia, 1991). Только дискретные уравнения были предоставлены в этой статье, чтобы проиллюстрировать физику процесса распыления. Результаты модели распыления представлены на рисунках 4 и 5, чтобы обеспечить некоторые спринклерные характеристики распыления и продемонстрировать чувствительность моделей к давлению впрыска и температуры окружающей среды. Эти прогнозы были получены для спринклерных брызг с использованием падающей конфигурации струи распыления. Модель распыления предсказывает сильную зависимость размера капель на давление впрыска. Фиг. 4 показывает, что диаметр капелек Ddrop Р? 1 = 3. Начальный размер капли и расположение также очень чувствительны к температуре окружающей среды в газовой фазе, как показано на рисунке 5. Повышенная температура газа уменьшает плотность газа, Ра в уравнении (9), что приводит к замедлению темпов роста волны, и длинному времени распада листа. Эксперименты в настоящее время проводятся для сравнения и проверки этих моделей предсказания.

Диспергирование спрея.

Динамика спрея сильно связана с динамикой непрерывных фаз; Поэтому, уравнения для обеих фаз должны быть решены одновременно для получения точных решений дисперсии распылением. Уравнения сохранения массы, импульса и энергии, как правило, решаются с помощью формулировки Эйлера для непрерывной фазы, а уравнения сохранения, как правило, решается с помощью Лагранжевой для дисперсной фазы. Основными уравнениями для непрерывной фазы являются хорошо известные уравнения механики сплошных сред и, следовательно, не будут включены в этой дискуссии. Следует отметить, что термины источник в газовой фазе массового, импульса и энергии уравнений определяются из уравнений сохранения для капель. Уравнения, описывающие динамику падения можно определить из массы, импульса и энергетических балансов на капли, предполагая однородные свойства (Кроу и др., 1997). Эти уравнения интегрируются с использованием итеративного прохода по времени, начиная с заданных начальных условий. Лагранжева формулировка дисперсной фазы очень чувствительна к этим начальным условиям и надежным оценкам для начальных характеристик капель необходимых для точных предсказаний дисперсионных. Начальные условия для дисперсионных уравнений падение предоставляются как распыления модели ранее.

Ускорение капли описывается уравнением сохранения импульса:

16.

где fdrag является коэффициентом трения, описывающим соотношение коэффициента сопротивления в Стокса, задающимся fdrag ¼ (1-й 0: 15Re0: 687 г) (Schiller и Науманна, 1933), tv — время отклика, скорость задается ТВ ¼ rld2 = 18 мА, U ~ это скорость газа, и ~ падение скорости капель, и г ~ вектор гравитационного ускорения, Rer число Рейнольдса на основе относительной скорости, RL является плотностью жидкости, Ddrop диаметром капли, и мА вязкостью газа. Испарение капли описывается уравнением сохранения массы:

17

где число Шервуда является Ш. ¼ hmddrop = Dv, хм это конвективный коэффициент массообмена, ДВ коэффициент диффузии, oH2O, 1 массовая доля водяного пара в газовой среде, и oH2O, с является массовой долей водяного пара на поверхности капли. Теплота капли описывается уравнением сохранения энергии:

18.

где Td является температура капли, Арад радиационного поглощения принимается капли, G является облучение, е радиационное излучения, Srad это постоянная Стефана-Больцмана, Ка теплопроводность газа, TT ¼ падение clrl d2 = 12kA является характерное время нагрева для капли, ХЛ теплоемкость жидкости, число Нуссельта определяется Nu ¼ hTddrop = кА, где ГТ конвективный коэффициент теплопередачи, число Прандтля задается Pr ¼ мкА = аа, число Шмидта дается Sc ¼ мкА = Dv, Т 1 температуры газа, HL является скрытая теплота парообразования из, и Са теплоемкость газа.

Охлаждение поверхности туманом.

После того, как капли воды достигают твердых поверхностей подверженных воздействию теплового излучения от пожара и горячих газов конвективного теплообмена, они обеспечивают испарительное охлаждение, таким образом, уменьшая среднюю температуру поверхности. Поддерживая температуру поверхности низкой, пиролиз твердых материалов сокращается, и твердое вещество становится защищенным. Огонь прерывается, так как нет больше доступного топлива. Чтобы охарактеризовать эти явления, средняя температура поверхности должна быть оценена в соответствии с конвективным и лучистым теплом, в то время как туман подается на вход. Парообразование отдельных капель, нанесенных на твердые поверхности, обширно были исследованы. Полное представление о жидких и твердых переходных тепловых взаимодействий дается ди Марсо и др. (1993).

Твердое вещество обрабатывают, получая следующее соотношение для поверхностных температур:

19.

Температурный градиент на поверхности, как показано внутри интегралов, задается тепловым переходным процессом в жидкости, подвергнутой граничным условием жидкость-пар, который охватывает массоперенос паров воды, а также компоненту конвективного теплообмена (Уайт и др., 1994). Это граничное условие может быть выражено как:

20.

Лучистое тепло поглощается в объеме жидкости. Рассмотрим стационарное положение, когда скорость изменения внутренней энергии жидкости мала. В этом случае можно интегрировать уравнение энергии для жидкости, подвергнутой выше граничному условию и приравнивая жидкие и твердые температуры на этом интерфейсе. Для того, чтобы упростить формулировку, это полезно для линеаризации уравнения (20), выражающее молярные фракции с точки зрения температуры используют отношения Клаузиуса-Клапейрона. Сияющая объемная теплота, скопленная в жидком слое выражается в Н, с получением:

21.

С помощью этой модели, можно получить время парообразования, связанного с каплей заданного размера на поверхности твердых тел при заданной начальной температуре. Чтобы смоделировать полное разбрызгивание воды, близкие растворы вводятся представлять прочную поверхностную температуру во время и после одной капли парообразования переходного процесса. Эти решения основаны на Carslaw и Jaeger (1959) и могут быть представлены в виде:

22.

Эти уравнения описывают эволюцию температуры поверхности вблизи капли сайта. В дальнем поле упрощенное представление достигается с учетом капельки как раковины точки. Это выражается в следующем виде:

23.

Рис. 6

В предыдущих трех уравнениях состояния твердой и жидкой границы приближаются с условием постоянного теплового потока выраженного в терминах объема капли и начального радиуса смоченного в воздействии капель твердой поверхности, как:

24.

Поддерживая соответствующий перечень капель, достигающих поверхности твердого тела, температура твердой поверхности определяется путем наложения всех этих эффектов охлаждения, и пространства, и времени в среднем, может быть вычислена температура поверхности. Рисунок 6 показывает, как модели предсказания соответствуют экспериментальным результатам для исходного твердого температуры поверхности 131 ° С и потока массы воды 0,50.

РЕЗЮМЕ

Важные физические процессы, влияющие на производительность спринклеров, были определены в качестве активации, распыления, рассеивания и охлаждения поверхности. Эти процессы были описаны и обсуждены с математическими моделями предсказаний и экспериментальными результатами. Эти математические модели могут быть использованы для прогнозирования первичных и вторичных распылителей. Модель, описывающая эффекты охлаждения от смежных оросителей в результате задержки вторичной время активации спринклера недавно была разработана и представлена здесь. Модели распыления и модели капель отслеживания, разработанные для оросителей, могут обеспечить очень подробную информацию, характеризующую начальный туман и его последующее рассеивание. Модели распыления, недавно разработанные для оросителей, показывают сильную зависимость от начальных условий капель не только на давлении впрыска, но также и от условий окружающей среды огня. Наконец, подробный анализ был проведен для описания взаимодействия капель с горячими поверхностями, предсказывающие охлаждение и подавление поведения пожара. Эти модели имеют решающее значение для развития понимания поведения подавления пожаров и могут быть использованы для прогнозирования производительности и поведения систем пожаротушения для разработки приложений, дизайна, или анализа.