喷砂技术及闭式喷头密封性测试

  喷嘴喷砂技术因其自身的特性,被广泛应用于表面清理、表面强化、材料装饰、成型等各个领域,特别是在金属材料防腐蚀涂装方面,被认为是延长涂层寿命最为有效的涂装表面处理方法,众多的研究结果表面,喷砂不仅能彻底清除材料的表面杂质,露出金属本色,还能有效的控制材料表面的粗糙度,并在材料表面形成有益的硬化层和压应力,从而大大延长其使用寿命,但是对喷砂清理效率的定量研究方法尚有欠缺,通过研究喷嘴直径与喷砂清理效率之间的函数关系式,为指导过程应用提供了量化的参考依据,下面大概描述下试验过程:

  用特种陶瓷高速文丘里喷嘴,磨料为粒径1.5-2.5mm的铜矿砂,气源压力为0.65MPa,被清理材料为钢板,钢板锈蚀程度为C级,清理后质量等级达到Sa2,由于工程中常用喷嘴直径为7-13mm(小于4mm的喷嘴只在精饰、微雕等极少场合使用,大于16mm的喷嘴在工程中基本不用),因此,试验以此作为边界条件,只对4-16mm的喷嘴进行了试验。

  在上述试验条件下,用不同直径的喷嘴对钢板进行喷砂清理、每个直径的喷嘴清理3次,每次清理1平方米,用目视评定法对样板照片进行检测,要求清理等级达到Sa2,并记下清理所耗时间,下图为试验所得出的数据表:

  利用流量计、高速摄像机以及激光粒度测试仪,深入研究闭式细水雾喷头二级雾化喷嘴二级喷撞喷嘴的流量特性、雾化特性和雾化过程。试验表明,二级雾化喷嘴和二级喷撞喷嘴的喷雾效果良好。所研制的闭式细水雾喷头的耐压性能和喷雾性能优异,索太尔平均雾滴直径小于70um/喷雾密度可达2.0L/(min.m2)满足细水雾灭火的要求。试验研究发现:

  1. 二级雾化喷嘴和二级喷撞喷嘴的流量都由第一级小孔的直径决定,与其他喷嘴结构参数无关,而且喷嘴的K系数与喷嘴压力无关,与第二章理论分析结果一致。
  2. 喷嘴出口速度和端动能的分布直接影响喷嘴的雾化性能,射流速度对雾滴直径的作用更为显著,而喷雾轮廓则主要由喷嘴出口端动能分布判断,证明了本文第三章关于喷嘴出口端动能与喷雾轮廓关系的假设。
  3. 二级雾化喷嘴的雾化,雾滴速度起主要作用,压力越高,喷射速度越快,雾化效果越好。二级喷撞喷嘴的雾化,则是两个第一级小孔射流的剧烈撞起主要作用,因此,二级喷撞喷嘴具有非常出色的高低压喷雾性能。而喷雾压力较高时,二级雾化喷嘴的雾滴直径相对更小,喷雾均匀度更高。此外,试验发现将第二级小孔由直孔改为螺纹孔,增强了喷嘴内部的端流扰动程度,喷嘴的喷雾轮廓和雾化效果都略有改进。
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  5. 使用高速摄像机可以清楚观察到,二级雾化喷嘴的雾化过程:第一阶段是连续相高速射流表面的初次破碎;第二阶段是连续射流断裂破碎成大液滴、系带状液滴和部分小雾滴组成的水系;第三阶段是大液滴基本消失,全部二次破碎形成系带状液滴和小雾滴;第四阶段是系带状液滴也基本二次破碎而消失,水雾全部由细小雾滴组成,形成充分雾化的细水雾。
  6. 由多个喷嘴组成的闭式喷头,各喷嘴喷雾形成的雾滴之间的相互碰撞和再次破碎在喷头的雾化过程中起重要作用,合理布置喷头上的喷嘴数量和位置,能够提高喷头的雾化效果,而布置不当则会对喷头的雾化效果产生负面影响甚至不如单喷嘴的喷雾性能。

 高压细水雾灭火系统具有灭火性能良好、水泽污染小且绿色环保等特点,在消防领域得到广泛应用。我国的细水雾灭火技术处于发展阶段目前尚未有相关单位和个人开展闭式高压细水雾喷头的相关研究。因此,本文针对闭式高压细水雾灭火系统,研制出一种闭式高压细水雾喷头,从理论分析、数值模拟和喷雾试验多个角度研究雾化喷嘴和闭式喷头的雾化性能,并分析闭式喷头的响应特性。试验结果表明,所研制的闭式喷头具有良好的高压密封性能和雾化效果,满足闭式高压细水雾灭火系统的要求。

  1. 设计一系列不同雾化结构的二级雾化喷嘴和二级喷撞喷嘴,研究分析喷嘴雾化技术应用。研制闭式高压细水雾喷头样机,分析闭式喷头的耐压密封结构,并研究其流量、喷雾特性。所研制的喷头具有较强的通用性,根据具体灭火要求,可以调整喷头的雾化喷嘴形式、数量以及布置方式。总结了喷头材料选取、表面热处理和小孔加工等工艺技术经验。
  2. 利用FLUENT软件数值模拟二级雾化喷嘴和二级喷撞喷嘴的内容流畅情况,处理和分析相应的计算结果。仿真发现喷雾压力的提高,可增大喷嘴出口速度和端动能,有利于喷雾效果的改善;二级喷撞喷嘴出口的端动能分布比二级雾化喷嘴更为均匀。
  3. 结合FDS专业火灾仿真软件,研究分析影响闭式细水雾喷头响应特性的几个重要因素,指出喷头安装高度和感温玻璃球响应时间常数的增大,会延长喷头的响应时间,而保护空间的火灾规模越大,喷头的响应则越快。
  4. 研制闭式高压细水雾灭火系统,并开展闭式喷头的耐压密封试验,试验验证喷头具有良好的高压密封性能。利用流量计、高速摄像机以及激光粒度测试仪,深入研究闭式细水雾喷头和二级雾化喷嘴、二级喷撞喷嘴的流量特性、雾化特性和雾化过程。试验表明,二级雾化喷嘴和二级喷撞喷嘴的喷雾效果良好,所研制的闭式细水雾喷头的喷雾性能优异,索太尔均匀雾滴直径小于70um、喷雾密度可达2.0L/(min.m)满足细水雾灭火的要求。
  5. 试验研究发现:1喷嘴流量决定于第一级小孔直径,喷嘴流量系数与喷雾压力无关,验证了理论分析结果的正确性;2喷嘴出口速度和端动能的分布直接影响喷嘴的雾化性能,射流速度对雾滴直径的作用更为显著,而喷雾轮廓则主要受端动能分布影响,与理论分析结果一直;3二级雾化喷嘴和二级喷撞喷嘴的结果类似而雾化机理不同,雾化效果分别主要决定于喷雾速度和射流喷嘴的情况。此外,第二级小孔改为螺纹孔,对喷嘴的喷雾轮廓和雾化效果有促进作用;4二级雾化喷嘴的雾化过程包括连续相高速射流表面的初次破碎、大液滴和系带液滴的二次破碎;5雾滴之间的相互喷嘴和再次破碎在喷头的雾化过程中起重要作用,喷嘴数量和位置显著影响喷头的整体雾化性能;6R-R模型使用于雾滴直径较小、分布均匀的高压细水雾,定义喷头系数r为雾滴均匀度系数,可更直观衡量细水雾的雾滴均匀程度。

  细水雾技术是涉及到火灾科学、。机械涉及、流体力学和测试技术等领域的交叉学科,由于时间和条件的限制,本文只对闭式高压细水雾喷头展开初步探索,研究过程中发现以下一些问题,值得今后进一步改善和完善:

  雾化机理的深入研究。研究喷嘴出口速度场和端流场的分布,与雾化性能的关系,建立喷嘴结构和关键参数与喷嘴雾化性能关系的数学模型。

  相邻喷嘴的喷雾干涉研究。雾滴的喷嘴和剥离对细水雾的雾化起重要作用,而相邻喷嘴喷出的水雾会有大量雾滴互相喷嘴,因此研究相邻喷嘴之间的喷雾干涉对喷头的优化设计具有重要意义。

   喷头灭火试验研究。研究分析不同灭火对象对细水雾喷头性能的要求,找出雾滴直径分布、喷雾密度、喷雾速度等性能参数的最佳取值范围,为喷头设计提供指导意见。

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