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空气引射风力灭火机的研究及其性能影响因素分析

作　者: 李林书
导　师: 王顺喜；辛喆
学　校: 中国农业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 空气引射 有效灭火面积 有效灭火距离 风力灭火机 微型涡喷发动机
分类号: S817.83
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


风力灭火机为我国草原防火主流灭火设备。本文将空气引射技术应用于风力灭火机,改变了风力灭火机喷风筒出口后流场结构,改善了出口风量同时增大了有效灭火距离。本文首先通过对无扩压亚音速空气引射风力灭火机的出口后流场基本模型的研究确定了出口后1.5m风速,1.5m处有效灭火面积及有效灭火距离为评价风力灭火机气动性能好坏的标准,并对这三个指标进行了方程推导,提出了有效灭火面积比的概念。建立了引射式风力灭火机及涡喷式引射风力灭火机的CFD模型,通过试验对比的方法确定了适合计算引射式风力灭火机内部流场湍流模型为RNG κ-ε,适合计算涡喷式引射风力灭火机内部流场湍流模型为S-A模型。用试验的方法确定了两种风力灭火机CFD模型的边界条件。用试验的方法测定了混合室出口截面速度不均匀度β,并找到了β与用于计算2种风力灭火机出口后流场的湍流系数a的拟合关系式。证明了在所研究范围内其这2种拟合关系式的有效性。应用CFD方法研究混合室直径Dm、混合室长度Lm、喷嘴位置S及接收室收敛角θ对引射式风力灭火机性能指标单一因素影响,发现其影响程度顺序为：Dm>Lm>S>θ。分析不同参数组合的245组CFD模型发现,Dm、Lm、θ三个尺寸参数存在较强交互性影响。制造了引射式风力灭火机并进行了性能指标试验测试,结果为：对比于传统便携式风力灭火机,距离喷射筒出口1.5m速度u1.5提高了8.31%,有效灭火距离Lc提高了9.95%,1.5m处有效灭火面积而Ac提高了62.2%。应用CFD分析的方法发现单一因素对涡喷式引射风力灭火机性能指标的影响大小顺序为：Dm>S>Lm>θ。其中Lm和θ的单独变化对涡喷式引射风力灭火机性能指标影响非常小。分析不同参数组合的486组CFD模型发现,Dm、S、θ三个尺寸参数对涡喷式引射风力灭火机性能指标存在着交互性影响。最终确定最优尺寸参数组合为：混合室直径Dm为80mm,接收室收敛角θ为20°,喷嘴位置S为0,混合室长度为Lm为700mm。应用该参数组合制造的喷射筒实测值为：u1.5为42.7m/s,Lc为3.16m,Ac为0.091m2。其最大误差绝对值小于4.39%。说明应用响应曲面及CFD分析的方法计算涡喷式引射风力灭火机流场是有效的。根据受力分析及国家标准,确定了涡喷式引射风力灭火机基本结构及尺寸。制造了涡喷式引射风力灭火机并进行了整机性能评测,发现除噪声大于规定标准将外,其它指标均大幅优于便携式风力灭火机整机性能标准。进行了草原实地风力灭火试验并将试验数据与便携式风力灭火机进行了对比。发现涡喷式引射风力灭火机能够处理更高火强度及可燃物密度草原火,且灭火时间低于便携式风力灭火机,同时其抗复燃性也优于便携式风力灭火机。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
图表目录  9-13
主要符号表  13-14
第一章 绪论  14-26
  1.1 课题研究的目的与意义  14-18
  1.2 国内外研究现状  18-22
  1.3 研究方案  22-26
第二章 空气引射风力灭火机的基本结构及模型研究  26-38
  2.1 引言  26-27
  2.2 空气引射风力灭火机试验系统  27-28
  2.3 空气引射风力灭火机基本结构  28-32
  2.4 空气引射风力灭火机基本流场模型  32-37
  2.5 本章小结  37-38
第三章 空气引射风力灭火机CFD模型研究  38-56
  3.1 引言  38-39
  3.2 喷射筒数值模型的建立  39-47
  3.3 湍流模型的选择及CFD模型的试验验证  47-54
  3.4 本章小结  54-56
第四章 引射式风力灭火机性能影响因素分析  56-74
  4.1 引言  56
  4.2 混合室直径对引射式风力灭火机性能的影响  56-59
  4.3 喷嘴位置对引射式风力灭火机性能的影响  59-62
  4.4 接收室收敛角对引射式风力灭火机性能的影响  62-65
  4.5 混合室长度对引射式风力灭火机性能的影响  65-67
  4.6 尺寸参数的交互性对引射式风力灭火机性能的影响  67-71
  4.7 引射式风力灭火机制造及性能测试  71-72
  4.8 本章小结  72-74
第五章 涡喷式引射风力灭火机性能影响分析  74-90
  5.1 引言  74
  5.2 混合室直径对涡喷式引射风力灭火机性能的影响  74-77
  5.3 喷嘴位置对涡喷式引射风力灭火机性能的影响  77-80
  5.4 混合室长度对涡喷式引射风力灭火机性能的影响  80-83
  5.5 接收室收敛角对涡喷式引射风力灭火机性能的影响  83-85
  5.6 尺寸参数的交互性对涡喷式引射风力灭火机性能的影响  85-88
  5.7 涡喷式引射风力灭火机喷射筒最优尺寸参数的选取及试验验证  88-89
  5.8 本章小结  89-90
第六章 涡喷式引射风力灭火机的设计制造及其灭火试验  90-96
  6.1 引言  90
  6.2 灭火机设计  90-93
  6.3 整机性能评测  93-94
  6.4 灭火试验  94
  6.5 本章小结  94-96
第七章 结论与建议  96-98
  7.1 结论  96
  7.2 创新点  96-97
  7.3 进一步研究的建议  97-98
参考文献  98-106
致谢  106-108
作者简介  108

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中图分类: > 农业科学 > 畜牧、动物医学、狩猎、蚕、蜂 > 普通畜牧学 > 畜牧业的机具及设备 > 草原畜牧业建设机具 > 草原保护机具
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