过程模拟技术在消防供水领域的应用探究

火灾扑救过程中，供水作为运输灭火剂的生命线，在整个灭火战术体系中起到的作用十分突出。2010 年发生的“大连  7.16石化火灾事故”处置过程中，一套可以长距离供水 10 km 以上的远程供水系统起到了关键作用，此套系统供水流量达到每分钟22000 升，可同时供十辆消防车进行灭火作业，是此次事故成功处置的直接原因，这次处置也证明了合理高效的供水将会明显减少扑救火灾的难度。
 
1  过程模拟在消防供水领域的应用前景
 
        早期的化工过程研究，主要是依靠经验和人力的方式进行研究，随着时代的发展，过程研究方式逐步由之前广泛应用的手算－图表法过渡到目前的计算机辅助设计和建模。以前，许多研究者以及工程师采用的是手写程序并求解流体的非线性代数方程组以及描述其动态状态的非线性常微分方程组来研究。逐步地，随着化学工业的成熟，许多像陶氏化学、美国 UOP、德国巴氏夫等国际巨头化学公司都各自设立研发部门开发各自内部使用的工艺流程模拟程序。1980 年以来，像 Aspen Plus、ANSYS  fluent 这样对精馏和其他化工单元操作进行稳态模拟的商业软件逐步崛起并开始占领这一领域[1]。通过过程模拟，可以获得生产过程中的大量反映生产和状态的数据，对质量控制提供了所需的相关信息。模拟结束后，对数据进行高效地统计分析和处理，对生产过程上产生的众多参数间的关系进行分析，对难以测量的质量指标进行预估模型的建立，可有效地将数据资源进行效益的转化[2]。利用过程模拟软件，可以精确计算出供水管路系统各环节的能量损失及在额定流量工况下达到射程要求所对应的输入压力。同时针对止回阀、泡沫钩管等流道复杂的常用元件，可提供网格化实现方法，解决了目前供水理论中经验公式方法计算不全面、计算精度低的问题，为消防管路系统优化设计及动力匹配提供了可靠支撑[3]。 传统的计算流体力学已被广泛的认可为研究消防工程领域的一个有效且有力的工具。Adiga  et  al[4-6]等国外研究者，曾利用计算流体力学研究消防用细水雾的流动与传输特性，但是他们的研究多采用手工图表的方式进行，存在考虑因素不全、计算精度低的问题。国内梁天水[7]运用 Fluent 过程流体计算软件对超细水雾的运动状态进行分析，取得了不错的效果。
 
2  过程模拟在射水器具优化设计上的应用
 
        真实火场上，灭火用水需经历消防车水罐、消防车水泵、输水管线、射水器具才能到达着火点。其中射水器具种类较多，特别是多功能水枪与电控水炮，结构较为复杂，内部空间形状不均，其设计原理涉及水动力学、材料学、工程学等多个领域。为使射水器具的性能达到最优，分析其干扰因素，国内外学者做了大量研究。 国内利妮利用 Fluent 软件建立了 POK 诺曼 500 多功能无后座力水枪的三维模型，分别模拟了水枪球阀全开直流喷射、全开喷雾射流、半开直流喷射和半开喷雾射流等 4 种工况条件下水枪的射流特性，得出流道几何型线及针阀和球阀对流动湍流强度、能量损失和射流稳定性的影响规律，提出采用锥阀代替球阀，改善水道结构的优化方案[8]。毕智华通过虚拟样机制造及 Fluent 软件对蓄能式消防水枪进行仿真造型及流场模拟，使得在节省成本的基础上，能够直观地观测机器的结构合理性及喷射效果，并验证了蓄能脉冲水射流水枪的设计能够在增加射程的同时提高水流的雾化程度，大幅度提高灭火效率[9]。施哲夫结合 ICEM 与 Fluent对小型直流式与导流式消防水炮喷嘴建模并研究，得到不同仰角与工作压力下两种小型消防水炮模型的射流轨迹，结合单水滴假设模型与指数增长模型等阻力模型，采用四阶龙格库塔方法计算小型消防水炮模型的射流轨迹[10]。
 
3  过程模拟在射泡沫器具优化设计上的应用
 
        除水以外，泡沫也被作为常见的灭火剂。主要用于扑救是石油化工类火灾，根据其表面活性剂组分不同可分为 A 类泡沫灭火剂和 B 类泡沫灭火剂。 因泡沫液需要与空气充分混合才能形成能有效覆盖着火物的泡沫，泡沫枪、炮的结构要更加复杂。为此，过程模拟方法与软件更适用与此种器具的研究分析。国内蒋子奕等人为了提高车载低倍数泡沫消防炮的泡沫液发泡效果，提升泡沫炮的灭火性能，根据发泡管长度、直径、进液口收敛角度、进气道相对位置等几何特征作为特征变量，应用正交测试组合并根据上述特征建立相对应的流道模型，通过 Fluent 软件对发泡管内气液两相流传质效率和混合效果进行模拟，并采用流场的混合流体密度分布与涡量分布直观描述气液两相流的混合效果。并使用 3D 打印的方式制成对应的发泡管结构，通过实验印证仿真结果的可靠性[11]。
 
4  过程模拟在消防泵优化设计上的应用
 
        消防泵作为消防供水的动力源，其性能参数直接决定灭火战斗的展开速度。消防泵多为离心泵，由消防车发动机提供动力，随油门大小进行不同程度的压力输出，具有大水量、高扬程的特点。 国内郭广强等人为研究浮潜式消防泵在启动过程中的瞬态特性，建立包含泵，水箱及循环管路在内的三维封闭模型，运用Fluent 商用软件，采用 RNGk-ε 湍流模型，并结合 UDF 程序加载转速变化规律对模型进行非稳态数值模拟.分析泵在启动过程中其流量，扬程，叶轮加速转矩，总效率，叶轮轴向力及径向力随启动时间的变化规律。为离心泵的优化设计，振动及噪声诊断提供理论参考[12]。 运用过程模拟技术可多角度的研究消防供水基础理论，为改进供水方式、线路、改良供水器材装备设计提供理论依据。