摘 要

压缩空气泡沫系统将空气主动压入泡沫液，可生成质量更高的灭火泡沫。该方法用水量少，生成的泡沫具有流动性，亦能附着在可燃物表面，灭火效率高，是较为先进的灭火方法。压缩空气泡沫属于典型的非牛顿流体，其可压缩性及黏度随剪切速率变化的特性导致其管路压降计算难度大，是压缩空气泡沫管路设计的难点之一。本文采用Ansys Fluent 18.1对某压缩空气泡沫管路流动特性开展数值研究：流体特性参数基于单相流假设，由实验数据拟合得到表观黏度及密度变化特性。结果表明：直管段中心的剪切速率小，表观黏度较大；三通和弯头入口段表观黏度较大，出口处流动复杂，表观黏度较小。直管段，弯头及三通的压降均随流量的增大急剧增大。对于局部阻力系数，流量较小时，随流量的增大而增大；而当流量增大到一定程度时，则随流量的增大而减小。

关键词：压缩空气泡沫；非牛顿流体；泡沫灭火系统；灭火系统设计；

ABSTRACT

In a compressed air foam system (CAFS), compressed air is actively introduced into foam solution, which could generate extinguishing foam with higher quality comparing to negative pressure foam systems. This advanced new technology could generate foam with less water consumption, while the generated foam exhibits good fluidity, could cover the burning objects and suppress the fire efficiently. Compressed air foam (CAF) is a kind of typical non-Newtonian fluid. It is compressible and its apparent viscosity varies with shearing rates. Both the facts make it difficult to estimate the resistance of the pipeline system, which is one of the difficulties of compressed air foam fire-fighting system designment. Numerical investigation of flow characteristics of CAF fire-fighting system was carried out with Ansys Fluent 18.1. The flow was assumed to be a single-phase flow, and the apparent viscosity and the density of CAF were given by experimental results. The results show that: the apparent viscosity was larger in the center of a straight pipe, while it was smaller in the outlet of elbow and T-pipe. The resistance of straight pipe, elbow and T-pipe all increased dramatically with the increase of flow rate.

Keywords: Compressed air foam; non-Newtonian fluid; foam extinguishing system; fire-fighting system designment

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 压缩空气泡沫的生成 1

1.2.2 泡沫的结构 3

1.2.3 泡沫物理特性 5

1.2.4 泡沫流体的流变特性 7

1.2.5 泡沫流体流动阻力计算 10

1.3 主要研究内容 10

第2章 数值模型选择及验证 12

2.1 计算模型 12

2.1.1 单相流假设 12

2.1.2 泡沫表观粘度的计算 13

2.1.3 泡沫密度的计算 15

2.1.4 湍流模型 16

2.2 模型验证 16

第3章 管网模型及参数设置 19

3.1 系统管网概述 19

3.2 计算网格 19

3.3 边界条件设置 21

第4章 管网模拟结果及分析 23

4.1 管路内泡沫的表观粘度 23

4.2 泡沫管路的沿程压降（以8-9管段为例） 26

4.3 泡沫管路的局部压降（以9节点的弯头和10节点的三通为例） 26

4.4 泡沫灭火系统管路的压降 28

结 论 33

参考文献 35

致 谢 37

绪论

研究目的及意义

压缩空气泡沫（Compressed Air Foam，CAF）是指将压缩空气通入混合液形成的泡沫。通过控制通入的空气比例，以及泡沫液的成分，可生成不同发泡倍数和状态的泡沫。生成的泡沫经管路输出，可高效扑灭火灾。

与传统的吸入式泡沫相比，压缩空气泡沫采用空气主动压入技术，使得空气与泡沫液混合更均匀，且使用的泡沫液更少；生成的泡沫具有良好的润湿性、附着性和覆盖性。此外，采用高压气体，提高了泡沫的动量，使得泡沫的喷射范围扩大，扑救能力提升显著。总之压缩空气泡沫系统在灭火机理上是一个重大的突破，具有高科技、高效率、小型化、环保型的特点。因此，压缩空气泡沫技术备受全世界重视，成为当今国际火灾防护技术的研究热点之一。

国内外研究现状

泡沫的生成

如图1.1所示，压缩空气泡沫系统（Compressed Air Foam System，CAFS）主要由水源，原液储罐，压缩空气源，泡沫液混合箱，及泡沫生成器等组件构成[1]。比例混合器控制水和泡沫原液的混合比例，生成泡沫液。空气源可以是压气机或高压气瓶。泡沫生成器是该系统的核心，通过控制最佳压缩空气和泡沫液的比例，可生成不同发泡倍率的泡沫，以满足灭火需求。

图1.1 压缩空气泡沫系统的工作原理图

压缩空气泡沫与水的比例通常为0.1%～0.9%，绝大多数情况下使用比例在0.3%～0.5%。使用时可以根据保护物的性质与火势，调节系统的参数，选择最佳的灭火泡沫。根据泡沫比例和流量的大小，得到的泡沫干湿程度也不等，通常分5个等级的灭火泡沫[2]：

（1）湿泡沫：通常称为T1，在垂直表面流动快，形不成厚度，主要用于发生在燃烧内部的火灾。