舞 出器绫憧计 自吸式双相流细水雾喷嘴雾化特性试验研究 韩星星，王克印，刘耀鹏，陈吉潮 （军械工程学院，河北石家庄０５０００３） 摘 要：设计一种新型自吸式双相流雾化喷嘴，生产了喷 嘴样机，通过对喷嘴的雾化特性试验研究，分析雾化剂气体压 力对喷嘴雾化特性参数的影响。 关键词：细水雾；自吸式；双相流；喷嘴；雾化特性 中图分类号：ｘ９２４．４。ＴＵ８９２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００９—００２９（２Ｏ１１）Ｏ９一Ｏ８１４～Ｏ３ 细水雾在冷却、窒息和隔绝热辐射的三重作用下达 到控制火灾、抑制火灾和扑灭火灾的目的，细水雾灭火系 统具有水喷淋和气体灭火的双重作用和优点，既有水喷 淋系统的冷却作用，又有气体灭火系统的窒息作用。 １喷嘴介绍 喷嘴是细水雾系统的关键部件，其性能决定了灭火 时的热湿交换效果，如何改进喷嘴性能一直是国内外主 攻的研究课题。对雾化喷嘴的研究，由于雾化过程的复 杂性，依赖于诸如流体力学、气体动力学、两相流体动力 学和数值方法等学科的发展。除了部分理论研究外，绝 大部分是试验研究。 气动式雾化喷嘴又称双相流雾化喷嘴，工作原理是 借助于流动气体的动能将液柱或液膜吹散，破碎成液滴。 从气路进入的高压气体通过雾化器气孔后，产生很高的 气流速度；从水路进入的压力水通过雾化器水孔后也产 生较大的水流速度，水流和气流在混合室内强烈冲击、碰 撞进行气水乳化，乳化后的乳化液其黏度和表面张力都 大大低于水的黏度和表面张力。乳化液在混合室聚集并 保持一定的压力，然后从喷嘴头部的喷口喷出，与空气进 行二次撞击形成细水雾，喷人火场气流中。 笔者设计的一种新型自吸式双相流雾化喷嘴，动力 全部来自雾化剂气体的压力，水处于常压，不需要另外给 水输送压力，喷嘴通过雾化剂气体高速（可达超音速）流 动形成的负压将处于常压的水吸入喷嘴混合腔，然后从 喷口喷出，形成细水雾用于扑灭火灾。其优势：一是对储 水设备的要求降低，成本降低；二是气体流动速度快（超 音速），雾化效果好。 使用排气压力为０．８ ＭＰａ、排气量为０．１２ ｍ。／ｍｉｎ 规格的空气压缩机为喷嘴提供雾化剂气体，喷嘴一端直 接连接在空压机出气口处，喷嘴的下端通过输水管连着 放有清水的塑料盆。为方便测量实验数据，在喷嘴前方 地面上铺有１．２ １１１×５ ｍ报纸。试验的环境布置如图１ ～图３所示。 ８］４ 图１喷嘴样机 图２试验中的空压机及喷嘴 图３试验布置 ２ 喷嘴的雾化特性参数及测量方法 液体从喷嘴喷出后形成一定形状的液滴群，研究表 明，与抑制熄灭火灾有关的细水雾特性参数主要有雾化 锥角、射程、粒径分布、雾通量以及雾滴动量等等。这些 特征是衡量喷嘴雾化性能优劣以及能否满足细水雾灭火 需要的重要依据。雾化特性试验中，通过改变雾化剂气 体的压力，分析初始压力对喷嘴雾化特性参数的影响，选 择０．５、０．６、０．７、０．８ ＭＰａ等４组压力进行分析。 （１）雾化锥角。即液雾的张角，把以喷口为原点的雾 化流扩张角称为雾化锥角，决定了细水雾液滴的空间分 散范围，并影响细水雾速度乃至动量，是重要的雾化特性 参数。在地面铺报纸，喷嘴水平喷出水雾，报纸会有打湿 的痕迹，测量角度即为雾化锥角，见图４所示。 （２）射程。喷雾射程指水平方向喷射时，喷雾液滴丧 失动能时所能到达的平面与喷嘴之间的距离。喷射水雾 可直接测得射程，不同压力会得到不同的射程。 图４雾化锥角测量 （３）粒径分布。从喷嘴中喷射出的细水雾射流中，液 滴的直径大小不一，但其分布却符合一定的规律性。细 水雾滴径的空间分布在很大程度上决定了其吸收热量并 汽化的能力，对火焰流场结构的影响很大。测量雾滴直 径的方法很多，由：于设备有限，试验中采用传统的液浸 法：利用与水互不相溶的液体（机油）作溶液，水作为喷射 液体，把喷射液体喷射到装有一层机油的培养皿中，由于 两种液体完全不相溶，喷雾粒子就会悬浮或者是沉淀在 机油液体中，保持原有的形状，然后就可以进行放大拍 照，观察统计液滴的大小、数量。液浸法设备简单、直观、 易于操作，同时由于试验条件简陋，容易出现人为误差。 但喷嘴的雾化效果是宏观现象，在满足试验要求的前提 下，允许这～部分误差的存在。采集雾滴过程中，根据不 同压力的射程有所不同，培养皿的放置位置也有所差异， 应选择雾化效果相对明显的位置放置。在测量时还应考 虑几个粒子粘连的情况，相关图片如图５、图６所示。 图５培养皿 把带有雾滴的培养皿放到高倍显微镜下观测并拍 照，图６是在１００倍显微镜下的雾滴照片。为能够测量 雾滴直径，在显微镜下用标尺对比观察，可测出雾滴的大 概直径，图６中标尺黑白间距约为１５０ ｒａｎ－１。在同样放大 倍数下对比观测每组雾滴的大小，每种工作压力下随机 选取４５个雾滴进行测量，然后取平均值，作为该工作压 力下的雾滴粒径。算得所有参数后再进行对比分析。 （４）雾通量。细水雾的雾通量又称体积通量，是指单 位时间内单位面积上通过的细水雾液滴的总体积。可以 在喷雾过程中，在雾化较好的位置（约距离喷头２ ｒｎ或 ２．５ ｒｒｌ处）放一量筒，测量量筒在一定时间内接得的液体 体积，即可求出雾通量。该参数决定了细水雾能够吸收 的热量以及汽化的多少，在细水雾与火焰的相互作用过 消防科学与技术２０１１年９月第３Ｏ卷第９期 程中有着重要的作用。收集装置的面积为１ ０００ ｃｍ。。 （５）雾滴动量。细水雾液滴的动量大小决定了其运 动距离以及对火焰的穿透能力，特别在运动途中有障碍 物时，该参数对细水雾灭火性能影响较大。当细水雾液 滴喷出速度相同时，飞行阻力与滴径平方成比例，质量与 滴径三次方成比例，其他条件相同时，液滴直径越大，穿 透深度也越大。由于试验设备所限，无法测得雾滴的初 始动量，但由于此喷嘴属于气动雾化喷嘴，且设计的喷嘴 的气体流动速度为超音速，完全达到细水雾用于灭火的 要求，实际灭火效果还需经喷嘴的灭火有效性试验验证。 图６显微镜下的雾滴照片 ３试验结果分析 细水雾雾滴粒径测量结果及雾化锥角、雾通量等测 量结果见表１、表２。 （１）压力对雾化锥角的影响。雾化锥角在误差允许 的范围内，随着压力的增大而增大，但变化范围不是很 大，最大值为３０．３。，最小值为２６．５。，相差４。左右。这样 的雾化锥角比其他结构的雾化喷嘴小得多，更有利于提 高喷嘴的射程，喷出的水雾会具有更大的动量，在火场中 具有较好的穿透性，有利于灭火。 （２）压力对射程的影响。水雾的射程随着压力的增 大也在逐渐增大，压力越大射程的增加越缓慢，究其原 因：随着压力的增大水雾的初始速度也在增大，射程在增 加，但同时由于水雾的雾滴粒径在减小，雾滴的穿透能力 变弱，雾滴的挥发速度变快，导致射程的增加变得缓慢。 （３）压力对雾滴粒径的影响。４组压力下的细水雾雾 滴粒径均满足Ｄ ．。＜４Ｏ０ ｔｉｍ的要求，说明设计的喷嘴即 为细水雾喷嘴，可用于喷灭火灾。且随着压力的增大，雾 滴粒径Ｄ 在减小，这是由于压力增大时，水经喷嘴喷 出后相对于空气的喷射速度也在增大，液膜破碎后就易 于形成更加细小的雾滴。 雾滴数量中值直径ＮＭＤ和容积中值直径ＶＭＤ是 衡量喷嘴雾化性能的主要指标之一。ＮＭＤ和ＶＭＤ是 指在一次喷雾中将所有雾滴的直径和容积从小到大或者 从大到小累积起来，累积约占全部雾滴直径总和及全部 雾滴容积总和的一半时的雾滴直径，把它们分别称为数 量中值直径和容积中值直径。求出ＮＭＤ和ＶＭＤ后，衡 量喷雾性能好坏的另一个重要指标——雾滴均匀度（或 称扩散比ＤＲ—ＮＭＤ／ＶＭＤ）也就可知了。如果测得的 ８】５ ＤＲ＞０．６７，则喷雾的均匀度良好。经过统计分析，４组压 力下的ＤＲ值分别为０．７１、０．７７、０．８３、０。８１，均大于 ０．６７，说明喷雾性能良好。 表１细水雾雾滴粒径 压力／ＭＰａ 压力／ＭＰａ 序号 ０．５ ０．６ ０．７ ０．８ 序号 ０．５ ０．６ ０．７ Ｏ．８ 雾滴粒径／“ｍ 雾滴粒径／ ｍ １ ４５Ｏ １１Ｏ ２１０ １１Ｏ ２６ ２４０ ６０ ５５Ｏ １２０ ２ ２１Ｏ １６Ｏ ３１０ １３Ｏ ２７ ２３０ ８０ １９Ｏ １１０ ３ １８Ｏ １５Ｏ ４４０ １５Ｏ ２８ ３１Ｏ ３００ １６Ｏ １６０ ４ １４Ｏ ８０ １４０ ９０ ２９ ４６０ ｌ２０ ８０ １ＯＯ ３ １７Ｏ ２２Ｏ １５Ｏ ２２Ｏ ３Ｏ ２１０ １９Ｏ ４５Ｏ ６００ ６ ２３０ １８Ｏ １３Ｏ ２１０ ３１ ２６０ ２１０ １３Ｏ ２４０ ７ ５２Ｏ ４６Ｏ １７Ｏ １４０ ３２ ２２０ １７０ ５Ｏ ９Ｏ ８ １２Ｏ １６Ｏ １１０ ２３０ ３３ １８Ｏ １８Ｏ １７Ｏ ４０ ９ ９０ ２４Ｏ ９Ｏ ８０ ３４ １６Ｏ ２５Ｏ １３Ｏ １７Ｏ １０ １ＯＯ １１Ｏ ３１Ｏ ７０ ３５ １５Ｏ １５Ｏ ８０ １６Ｏ １１ １５Ｏ １７０ ２２Ｏ １７Ｏ ３６ ６０ １Ｏ０ １８０ １ＯＯ １２ ３２Ｏ ２３Ｏ １３Ｏ ３２Ｏ ３７ ９Ｏ ７０ ９Ｏ ２８０ １３ ２２０ ９０ １４０ ２１Ｏ ３８ １００ ９０ １５０ ２３Ｏ １４ １９０ ２９０ １８Ｏ １６Ｏ ３９ １５Ｏ ２４Ｏ １１Ｏ ６Ｏ １５ １ ７０ ４１Ｏ ２４０ １５０ ４Ｏ １９Ｏ ３１０ ８０ ９０ １６ １８Ｏ ２４Ｏ １ＯＯ ６０ ４１ ２２Ｏ ２００ １５Ｏ １２Ｏ １７ ２１Ｏ １４０ ｌ９Ｏ ８０ ４２ １９Ｏ ２９Ｏ ４５０ ２５０ １８ ２４Ｏ １１Ｏ ９０ １９０ ４３ ３２０ １２Ｏ １ＯＯ １５Ｏ １９ １３Ｏ １９Ｏ ７０ ４８０ ４４ ３３Ｏ ９０ １３Ｏ １６Ｏ ２Ｏ １４Ｏ ２１０ ｌ１０ ５０ ４５ ２６Ｏ １２Ｏ ７０ ６Ｏ ２１ １１Ｏ １８Ｏ １２Ｏ ５０ 平均直径／“ｍ ２０７ １８３ １７Ｏ １６２ ２２ １６Ｏ １９Ｏ ８Ｏ ３００ ＮＭＤ ２２Ｏ ２００ １９０ １７０ ２３ １９Ｏ １７０ ２３０ １３Ｏ ＶＭＤ（Ｄｖ０．５） ３１０ ２６Ｏ ２３Ｏ ２１０ ２４ ２ＯＯ ２３０ １５０ １４０ ＤＲ（ＮＭＤ／ＶＭＤ） ０．７１ ０．７７ ０．８３ ０．８１ ２５ １８Ｏ １７Ｏ ４０ １００ 表２试验所测得的数据 压力 雾化锥角 射程 风速 雾滴粒径 雾通量 ／ＭＰａ ／ｍ ／ｍ／ｓ ＤＶ０ ５／“ｍ ／Ｌ／（ｍ０・ｍｉｎ） ０．５ ２６．５。 ２．７１ ０２ ３１Ｏ １．３３ ．０．６ ２８．０。 ３．Ｏ７ ０．２ ２６Ｏ １．５４ ０．７ ２８．６。 ３．２８ ０．２ ２３０ １．８２ ０．８ ３０．３。 ３．３７ ０．２ ２１０ ２．２２ （４）压力对雾通量的影响。雾化剂气体的压力增大， 喷嘴出口的水雾的初始速度也随之增大，单位时间内通 过相同面积的水雾的体积也随之增大，这从测得的雾通 量数据中可以看出。单看这一点，较大压力的雾化剂气 体有利于提高灭火效率，但考虑到水雾雾滴粒径对灭火 效果的影响，以及生产成本，并不是压力越大越好。通过 喷嘴的灭火有效性试验确定合适的压力范围。 ４ 结 论 （１）在选择的４组压力下，雾化锥角在３Ｏ。左右波动， ８］６ 这样的雾化锥角有利于喷嘴的射程，喷出的水雾具有更 大的动量，有利于灭火；（２）压力在０．５～０．８ ＭＰａ时，水 雾的射程在２．７～３．４ ｍ，达到了预斯值（预期值为２～５ ｍ）；（３）所测压力下，水雾的雾滴粒径均满足Ｄ ＜４００ ／ａｍ的要求，可应用于细水雾灭火；通过计算ＮＭＤ和 ＶＭＤ，可得到雾滴均匀度ＤＲ，计算出的结果表明喷嘴的 雾化性能良好；（４）最小的雾通量为１．３３ Ｌ／（ｍ ｒｎｉｎ）， 压力增大雾通量增大，灭火效率也随之提高，但综合考虑 各影响因素，并不是压力越大越好，需通过实验找出合适 的压力范围。 参考文献： ［１］刘志，杨欣，马建民．细水雾一２１世纪的绿色消防技术［Ｊ］．给水排 水，２００７，３３：１７１—１７６． Ｅ２］杨立军，王维，胡泽保，等．两相流乳化型细水雾喷嘴雾化特性研究 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