学校代码：
102
研究生学号： M100650570
上 海 海 洋 大 学
硕士学位论文
题 目： 平衡式泡沫比例混合装置
的研究与开发
英文题目： 专 业： 研究方向： 姓 名： 指导教师：
Research and Development of Balanced Pressure Foam Proportioning Equipment
机械工程 机械制造及自动化
王灿 王世明
二O一三 年 五 月 一 日
上海海洋大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
日期： 年 月 日
上海海洋大学学位论文版权使用授权书
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保密 □ ，在 年解密后适用本版权书。
本学位论文属于
不保密 ;
学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日
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答辩委员会成员名单
姓名 刘文白 宋秋红 梁拥成 刘爽 答辩地点 工作单位 上海理工大学 上海海洋大学 上海海洋大学 上海海洋大学
职称 教授 副教授 副教授 讲师
备注 委员 委员 秘书 2013-5-23
工程学院302室 答辩日期
上海海洋大学硕士学位论文
平衡式泡沫比例混合装置的研究与开发
摘 要*
能源问题一直是关系着世界各国经济发展的重要议题。随着国家经济建设和能源战略的需要，石油在其中扮演者重要的角色。根据《2011年国内外油气行业发展报告会》所给出的数据，可以预计到2012年全国的对石油的需求可以达到4.9亿吨的水平。石油属于易燃易爆的液体，在其加工、贮存、运输过程中不可避免地面临着火灾带来的危险。油库的火灾爆炸是石油化工及贮存行业主要的危害之一，其蔓延速度之快，破坏性之强，一旦发生火灾，如果不能及时的得到抑制，其直接的经济损失是相当巨大的。与此同时，带来的人员伤亡和环境灾难也是无法弥补的。
本课题作为上海科技成果转化促进会联合上海市教育发展基金会为了更好的促进高校科技转化为企业效益而推出的2011年度联盟计划——难题招标专项活动的一部分，目的在于为石油灌区研制高效的泡沫灭火装备。对于泡沫灭火系统，其核心部分为泡沫比例混合装置，泡沫比例混合装置的性能很大程度上决定着整个系统的运作性能。
本文通过对各种泡沫比例混合装置比较，确定了选择平衡式泡沫比例混合装置，因平衡式泡沫比例混合装置是同类产品中性能最优秀的一种，其安全性能高，混合比例精确，压力损失小，流量范围广及泡沫储量大等诸多优点。通过起到核心作用的部件的研究和分析，根据实际的需要及技术要求，确定最终的符合技术指标设计方案。
按照设计方案，对样机的各个部件进行加工制作或者购买，并按照设计要求、机械设计技术要求对样机进行了装配。为了验证样机的性能，按照GB20031－2005《泡沫灭火系统及部件通用技术条件》，对其进行了实验，包括混合比例实验、压力损失实验、运行可靠性实验三个实验。
根据国标的要求，混合比实验的实验结果应该在设计的工作压力范围和流量 *
上海市联盟计划项目，石化灌区泡沫灭火系统的研制开发，项目编号LM201140 ；
上海海洋大学研究生基金，计量注入式泡沫比例混合器的研究与开发，项目编号A-2500-11-0115。
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范围之内保持在3%-3.9%之内。压力损失是衡量设备性能的另一个重要指标，生产商要公布产品的压力损失与流量的关系曲线，作为客户选择的重要依据。对于运行可靠性试验，要求设备在正常情况下运行40分钟，设备整体及各个零部件不能出现异常情况。
为了节省实验费用，首先我们对样机进行清水实验，估测样机的性能，然后对样机进行精确的实验。实验的步骤及注意要点均按照技术要求及标准实施。
通过对实验数据的分析和处理，来验证样机的性能。对实验数据的处理结果表明，样机完全符合设计要求，同时也符合国家标准的规定。表明，该设计方案是完全可行的。
关键词：消防设备，泡沫比例混合器，泡沫泵，样机，实验
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Research and Development of Balanced Pressure Foam
Proportioning Equipment
ABSTRACT
The energy issue has been the important issues related to the world economic development. With the needs of national economic construction and energy strategy, in which oil plays an important role. According to the data given by the 2011 oil and gas industry at home and abroad Development Report, it can be expected that the country's demand for oil can reach the level of 490 million tons by 2012. The oil is a flammable liquid in its processing, storage, transportation process inevitably face the dangers posed by fire. Oil depot fire and explosion is one of the major hazards of petrochemical and storage industry, the speed of its spread, strong destructive event of fire, if you can not be suppressed, the direct economic loss is enormous. At the same time, bring casualties and environmental disaster is irreparable.
The subject as scientific and technological achievements and Promotion Association of Shanghai Education Development Foundation in order to better promote the launch of the year 2011 by the University science and technology into business benefits affiliate program - part of the bid for solving special activities aimed at the development of efficient oil Irrigation District foam fire extinguishing equipment. For foam fire extinguishing system, the core part of the foam proportioning mixing device, foam proportioning device performance largely determines the operating performance of the whole system.
In this paper, mixed a variety of foam proportioning device, identified Select balanced foam proportioning device a balanced foam proportioning device is the best kind of performance of similar products, its safety performance, precise mixing ratio, pressure loss small a wide range of flow and foam large reserves and many other advantages. Parts of the research and analysis play a central role, according to the actual needs and technical requirements, determine the final meet specifications design.
In accordance with the design, manufacture or purchase the various components of the prototype and mechanical design in accordance with the design requirements, technical requirements on the prototype assembly. In order to verify the performance of the prototype according to GB20031-2005 \"foam fire extinguishing system and the member general technical conditions\ratio of the experiment, the pressure loss experiments run experiment of three experiments.
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According to the national standard requirements, the mixing ratio of the experimental results of the experiment should be maintained within the design working pressure range and flow range of 3% -3.9%. The pressure loss is another important indicator to measure the performance of the equipment manufacturer to announce a loss of pressure and flow curve, as an important basis for customers to choose. For reliability test run, requiring the device to run for 40 minutes under normal circumstances, the device as a whole and the respective parts can not be abnormal situation.
In order to save the cost of experiments, we first prototype water experiments, estimate the performance of the prototype, and then precise experimental prototype. The experimental steps and points to note are implemented in accordance with the technical requirements and standards.
Through the analysis and processing of the experimental data to validate the performance of the prototype. The processing of the experimental data results show that the prototype compliance with the design requirements, but also meet the national standards. Show that the design is entirely feasible.
Keywords: Fire-fighting Equipment, Foam Proportioner, Foam Pump, Prototype,
Experiment
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目录
第一章
引 言 ...................................................... 1 1.1 研究的目的意义及来源 ........................................ 1 1.2 泡沫比例混合装置的现状 ....................................... 3 1.3 本文的主要内容 ............................................... 8 第二章 系统的工作原理与总体方案 ................................... 10
2.1 装置的结构图 ................................................ 10 2.2 混合比例的数学原理 .......................................... 11 2.3 平衡方程的建立 .............................................. 14 2.4 总体方案设计及其合理性 ...................................... 16 第三章 关键部件的选定 ............................................. 24
3.1 平衡比例混合器的选定 ........................................ 24 3.2 管道的选择 .................................................. 25 3.3 泡沫泵的选择 ................................................ 25 3.4 电机的选择 .................................................. 27 3.5 水轮机的选择 ................................................ 29 3.6 控制器的选择 ................................................ 29 第四章 混合比仿真研究 .............................................. 31
4.1 仿真的正交设计 .............................................. 31 4.2仿真&数据处理 ............................................... 33 4.3管内流体的性质 .............................................. 37 第五章 装置的试验研究 .............................................. 39
5.1试验目的和要求 .............................................. 39 5.2 孔板的选择 .................................................. 40 5.3 精确混合比与压力损失 ........................................ 43 第六章 总结与成果 .................................................. 47
6.1 总结 ........................................................ 47 6.2成果 ........................................................ 47 参考文献 ........................................................... 49
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致谢 ............................................................... 51
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第一章 引 言
1.1 研究的目的意义及来源
火对人类有着巨大的贡献。与此同时，火灾在人类社会的发展与进步当中同样扮演者破坏者的作用。
在人类漫长的生产实践当中，大量的生活经验被人们积累了下来。据考证，在宋代的时候，中国就成立了类似当代消防部门的队伍的部门，主要负责都市的消防安全。随着人类社会、社会经济及其科学技术的不断发展与创新，带动消防技术的日新月异的进步。
在中国现行的当中，消防局是隶属于的部门，负责全社会的消防安全事宜。各个省份、直辖市或者自治区都会有消防总队的存在，该体系已经发展到比较完备的阶段。相应的消防设备种类也越来越多，技术含量也越来越高，而且还在不断的更新当中。
伴随着中国社会的不断发展和国民经济建设的规模越来越大，社会对石油的能源的需求与日俱增，油库是国家石油储备和供应的基地，是协调原油生产加工、成品油供应和运输的枢纽，在石油行业有着举足轻重的作用。但是石油库区火灾时有发生，严重影响了正常的秩序。由于石油或者石化产品的成分，油库在发生爆炸事故后会引起一系列的污染问题，例如会产生很多种带有对人体或者生物有毒的气体，包括：原油或者成品油品受热分解或燃烧的时候所产生的复杂气态物质；许多微小的固体、液体颗粒形成的悬浮在大气当中的漂浮物。这些所产的各种毒性气体形成类似烟雾状的形态，笼罩在大气之中，并随着时间的推移，毒气向周围扩散。另外一方面产生的有毒的液体会被携带入水源或者河流中，部分会渗入地下水，长期污染饮用水源，给人们的生活、工作带来严重的影响。这种生态灾难带来的危害是无法估量的。
油库火灾爆炸事故的原因可大体分为火源型和油气可燃极限型两类。火源型可分为明火类型、电火花类型、撞击火花类型、静电火花类型及雷击火花类型等[1]。油气可燃极限可分为第一种情况油气泄漏类型和第二种情况通风不良类型 [1]。
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很多的火灾案例表明。在油库、石化罐区等场所一旦火灾突然发生时，我们对于火灾的控制以及及时的扑灭可能造成巨大损失的火灾过程中，消防设备特别是固定式消防系统起到了相当重要的作用。在各种灭火系统中，我们为什么要选择固定式的泡沫系统呢？其主要原因在于固定式的优越性和泡沫灭火对B类火灾灭火的优越性。
火灾是燃烧现象的一种类型，理所当然遵循着燃烧的固有规律，第一为确定性，第二为随机性。确定性是指可燃物即油品燃烧必须具备所需要的所有条件，在任一必备条件不存在或者未达到某一水平时，燃烧现象都不可能发生。其随机性是指在某一地点只要可燃物即油品存在时，我们很难预测火灾发生与否，以及其发生的具体时间。于是，这就给消防安及火灾的预防全带来了重大的挑战。
由于火灾的随机性，油库火灾一旦发生，时间显得特别重要，消防人员根本没有时间去考虑哪种灭火设备是最合适的，怎样安装这些灭火设备，在哪安装？并且在安装大型的灭火设备会消耗掉大量宝贵的最佳灭火时间，随着时间的推移，错过了火灾初期阶段的最有利时机，火灾带来的危害和潜在威胁增加，随时都有爆炸的可能性，给消防人员的生命安全带来威胁，增加了灭火工作的难度。火灾的整个过程始终伴随着热传播这一现象。在火灾形成一定的规模之后，由于其最高温度可达到1500℃[2]，会产生强烈的热传导、热对流和热辐射，这些都为在近储罐处的灭火设备的安装带来巨大的困难。
使用固定式泡沫灭火设备，在储罐上安装灭火装置及周围的一系列的配套措施，确保了在探测到油品发生火灾之后，在最短的启动设备，进行灭火。固定式泡沫灭火设备缩短了灭火关键时间、提高了对灌区的灭火效率、降低了火灾对消防人员的生命安全威胁。
通常的来讲，可以与水相互混合之后，通过化学反应或者机械方法的物理变化，能够产生出用于灭火的泡沫的灭火剂，都可以称作泡沫灭火剂。所产生泡沫灭火剂混合液发泡之后为一种体积上较小的，表面被液体包围的大量的气泡所组成，比重在0.001～0.5之间。从上面可以看出，泡沫的比重远远小于一般油品的比重，因而泡沫液发泡后可以漂浮于油品的表面，形成一个厚厚的泡沫覆盖层。同时，泡沫又具有一定的粘性，可以使其粘附于一般可燃固体或者液体的表面上。
泡沫灭火剂灭火基本原理可概括为，第一覆盖作用，所谓覆盖作用就是发泡之后灭火泡沫由于粘性的作用会在燃烧物表面形成的厚厚的泡沫液形成的覆盖层可使燃烧物表面与空气隔离，起到使可燃物与助燃剂隔离的作用。第二位封闭作
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用，厚厚的泡沫层由于紧紧的贴合在燃烧物表面，封闭了的可燃物，可以阻断火焰对周围燃烧物的热辐射，阻止燃烧物由于吸收热量的蒸发或热解导致的挥发，使可燃物质难以进入正在燃烧的区域，起到阻断可燃物的作用。第三条为冷却作用，由于泡沫混合液由大量的水和少量的泡沫剂产生的，理所当然的会对可燃物质起到有冷却作用。第四为窒息作用，泡沫受热蒸发产生的水蒸气，水蒸气有稀释燃烧区氧气浓度的作用，降低助燃剂浓度也是阻止燃烧的另一种方法。
为了石化罐区的安全，避免罐区的不必要损失及工作人员的人身安全受无法预知的火灾危害，进一步的保护油库罐区的设施安全，尽可能降低损失，工作人员必须认真遵守各项规章制度，做好预防工作，同时安装好固定消防设备。严格执行各项安全制度和操作规程，对存在的不安全因素，应及时排除。
消防技术越来越受到重视。消防安全是我们党和国家在经济建设和社会发展中一贯坚持的指导思想，是国家的一项重要，是涉及保护国家和人民财产/人民生命安全和现代化建设的大事。为了预防和减少火灾造成的损失，提高了火灾防治的科学性，在燃烧学、流体力学、测量、机械、电气和计算机等学科的基础上形成了一门综合性的交叉学科——火灾科学。这对消防有着积极的作用。
本课题作为上海科技成果转化促进会联合上海市教育发展基金会为了更好的促进高校科技转化为企业效益而推出的2011年度联盟计划——难题招标专项活动的一部分，目的在于为石油灌区研制高效的泡沫灭火装备。对于石化罐区使用的固定式的泡沫灭火系统，其最重要的部分为起到混合作用的泡沫比例混合装置，泡沫比例混合装置的各项参数在决定着整个固定式泡沫灭火系统系统的运作时所表现出来的性能，所以我们作为该课题的研究对象。
1.2 泡沫比例混合装置的现状
泡沫比例混合装置是固定式泡沫灭火系统的主要设备。该装置能使消防水和泡沫剂按照设计的要求比例相互混合而成两种液体的混合液，当两种液体混合之后会通过已经安装好的管道供给安装在储罐上的泡沫产生器、储罐周围的泡沫或者泡沫炮之类的发泡装置进行发泡，然后喷洒在储罐的顶部或者周围等以供灭火。泡沫比例混合装置主要有管线式泡沫比例混合装置[3]、环泵式泡沫比例混合装置[4、5]、压力式泡沫比例混合装置[6-9]、平衡压力式泡沫比例混合装置[10-13]。在一些建设时间较长的油库中，多采用环泵式泡沫比例混合装置，而在现行的《石油
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库设计规范》当中建议宜采用压力式泡沫比例混合装置、平衡式泡沫比例装置[14]。 (一)管线式泡沫比例混合装置 1.结构
管线式泡沫比例混合装置是同功能产品当中结构相对简单一些的装置，该装置的重要部分为文丘里管形式的结构组件。两端分别连接高压消防水管道(进口)和泡沫混合液(出口)，在文丘里管的喉道处为泡沫剂入口。其应用示意图如图1-3所示。
图1-3管线式泡沫比例混合装置应用示意图 Fig1-3 The Application of In-Line Eductor
2.原理
管线式泡沫比例混合装置利用的文丘里效应。当流体在文丘里管结构中面流动是，由于管道直径的变化，在管道的直径最小的地方喉道处，流体流速最大，于是动能也达到最大值，由于能量守恒，静态压力为整个管道中的最小值，而且会低于外界大气压的压力。进而吼道处与外界大气压产生压力差，这个压力差给泡沫剂提供一个外在压力，把泡沫液引入混合管道与压力水混合，最终达到一定比例的混合液。 3.优缺点
其优点在于结构简单，制造工艺简易，经济性较好。缺点在于流量范围过小，同时压力损失较大。主要适用于一些小型移动式泡沫灭火系统或者半固定式泡沫灭火系统。
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(二)环泵式泡沫比例混合装置 1.结构
如图1-4所示，环泵式泡沫比例混合装置的消防水进口连接消防水泵的出口，混合液出口连接消防水泵的入口，混合器的工作原理与管线式泡沫比例混合装置的管理相同，工作时流体可以形成一个环形的流动路径，其也被称为环泵式泡沫比例混合装置。其主要结构为离心水泵、文丘里管、调节阀等其他组件。
图1-4环泵式泡沫比例混合装置应用示意图 Fig1-4 The Application of Around-the-Pump Proportioner
2.原理
当启动消防水泵后，有压力的一部分水流由闸阀经过混合器，由于混合器的文丘里效应，泡沫液罐内的泡沫剂在大气压的作用下，通过吸液管进入混合器并形成混合液。混合液经过管道重新返回水泵进口，经过泵的压力升高，大部分经过连接泡沫产生器的管道输送至泡沫产生器以用来灭火的泡沫，该装置会形成流体循环环路。 3.优缺点
其优点在于结构简单、价格低廉，容易让客户接受。缺点在于混合液的混合比例难以确定，因在安装及使用过程中影响因素较多。另外，该类型的泡沫比例混合装置操作比较复杂，对自动化的实现比较困难。越来越不受到用户的重视。 (三)压力式泡沫比例混合装置 1.结构
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压力式泡沫比例混合装置是由直接使消防水和泡沫剂混合的比例混合器、体积固定的泡沫贮存罐(分为隔膜式和无隔膜式)、各种阀体、流体管道及其他组件构成。该类型的可分为立式构造和卧式构造两种。根据泡沫液罐的是否存在橡胶皮囊，又可分为囊式和无囊式。其应用示意图如图1-5所示。
图1-5压力式泡沫比例混合装置应用示意图 Fig1-5 The Application of Pressure Proportioning Tank
2.原理
压力式泡沫比例混合装置的原理为，当消防水泵供给的高压消防压力水沿着供给管道进入比例混合装置时。大部分压力水经过喷嘴喷出，由于射流质点的横向稳流作用，在混合器内部会形成一个低压区，泡沫液罐内的泡沫液在压差的作用下把泡沫液压入混合器，泡沫液与水按照3:97或者6:94的比例进行混合，之后供给到泡沫产生器以产生泡沫，以供没火。 3.优缺点
安装及使用比较方便，同样对自动化的实现比较容易。混合比例较精确，流量范围较上面两种比例混合器都较为广泛。但是泡沫剂储罐容量不易过大，否则在系统压差下很难将泡沫液压入混合器，这也是该类型泡沫比例混合装置的主要缺点。
(四)平衡式泡沫比例混合装置 1.结构
平衡式泡沫比例混合装置根据结构的不同，可以分为直接泵入式和溢流式[13]，但是两种装置的大体结构是相同的。其主要的组成部件为泡沫泵、平衡阀、混合
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器、压力表、预制管道等。图1-6为溢流式平衡式泡沫比例混合装置；图1-7为直接泵入式平衡式泡沫比例混合装置。
图1-6平衡式(溢流式)泡沫比例混合装置应用示意图
Fig1-6 The Application of balanced pressure proportioning set (over flow)
图1-7平衡式(直接泵入式)泡沫比例混合装置应用示意图
Fig1-7 The Application of balanced pressure proportioning set (pump injection)
2.原理
平衡式泡沫比例混合装置在工作时，消防水泵和泡沫泵同时工作。消防水泵提供高压消防水，泡沫泵为装置提供足够的泡沫剂，同时注入混合器中，混合成灭火所需的混合液。混合比例(3%、6%)的稳定是靠平衡阀来维持的。由于平衡阀的特殊结构，当消防水流量增大，压力也会随之上升，平衡阀内消防水压力和泡沫剂的压力差会增大，平衡阀内部部件也会做出相应的变化，对于溢流式类型的
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来讲，会相应地减小泡沫剂返回储罐的流量，对于直接泵入式类型，会相应地增大注入到混合器的泡沫剂量，以维持合理的比例范围。
3.优缺点
其优点为泡沫液储罐压力为常压，储罐的体积可以根据被保护对象的需要经行调整，并且可以随时添加泡沫液，避免了在灭火时因泡沫液不足引起的灭火失效。其次，平衡式泡沫比例混合装置，由于平衡阀的存在，其混合比例精度在同功能的产品中最高，所允许的混合泡沫液的流量范围较同功能的其他装置范围更加大一些。系统的稳定性较好、性能优越。其缺点为装置的总体成本偏高，系统的安装与调试都需要专业的人员来操作。
在国外工业发达的国家，平衡式泡沫比例混合装置同样广泛的生产和应用。比较著名的消防企业，美国的Viking(威景)公司、美国Chemguard(凯美佳德)公司、英国的Angus(安格斯)公司、英国的Chubb(集宝) 、英国的Kidde(凯德)及其他消防设备公司都有此类产品。此外，国外还有注入式泡沫比例混合装置。
1.3 本文的主要工作
本文的研究思路为：通过对平衡式泡沫比例混合装置的理论的研究和分析，根据客户的要求，设计出满足客户需求的、性能优越的平衡式泡沫比例混合装置。根据设计装配图完成样机的组装，并验证样机的性能，技术路线如图1-8所示。 本文主要的研究工作为：
(1) 平衡式的泡沫比例混合装置的原理与方案。 (2) 平衡式的泡沫比例混合装置内流体的数学模型。 (3) 样机的制作及关键部件的研究。 (4) 实验的实施及对实验数据的处理。
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图1-7技术路线图
Fig1-7 Technology Roadmap for the Design
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第二章 系统的工作原理与总体方案
2.1 装置的结构图
平衡式泡沫比例混合装置，如图2-1所示，是由具有相应功能的各个零部件有机的组合在一起形成的具有准确混合消防水和泡沫液的系统装置。
图2-1平衡泡沫比例混合装置
Fig2-1 Balanced Pressure Foam Proportioning Equipment
其中，
1——泡沫剂储液罐(常压状态) 2——单向阀 3——安全阀 4——齿轮泵
5——平衡式比例混合器 6——消防水池 7——离心泵 8——预制管道
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2.2 混合比例的数学原理
对于泡沫比例混合装置，混合比例的精确性是考察装置性能的重要参数之一。混合器是利用文丘里效应制成的。混合器消防水管道可分为收缩段、喉部和扩张段组成。
任何物质都是有大量的分子组成的，分子与分子之间并不是紧密排列没有任何空隙的，流体也是这样。但是对于从宏观层次来研究其机械运动时，所选取的最小的流体微元，虽然体积很小，但是其缺包含了数量甚多的流体分子，使得流体各物理量的统计平均值有意义。这就是说，我们在对其进行理论研究时可以忽略分子之间的间隙，而把流体作为连续分布的流体微元无间隙地组成的连续介质来对待，称为流体的连续介质模型[23]。
流体的另一个基本属性就是可压缩性，在实际工程问题中是否考虑流体的压缩性，要根据具体的情况确定。在很多情况下，特别是工程应用中，一般把液体看做是不可压缩的即体积不随外界的压力变化而变化，把流体密度视为常量，可以给工程计算带来很大的方便，同时也不会影响计算精度。混合器的剖视图如图2-2。
图 2-2 混合器实体(剖面视图) Fig 2-2 Mixer Unit (Section View)
我们把混合比例的问题抽象成一个数学问题，就是要利用工程流体力学方面的知识对其进行数学建模。流体在管内流动时总的机械能会随着管道的延长而降低，这是因为一部分能量克服流体与管道之间的摩擦力损失掉了，另外由于流体的粘度，内部相互作用会造成能量的损失。也就是说实际的总水头是随着流道长
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度的增加逐渐变小的。我们设定水头损失为hf，如图2-3所示，则在水平方向上不可压缩粘性流体总流的伯努利方程为
2
P1v12P2v2
Z1++=Z2+++hf
(2-1)
ρ1g2gρ1g2g
其中：
Z1——1-1面处管道的相对高度 Z2——2-2面处管道的相对高度 P1——1-1面处消防水压力 P2——2-2面处消防水压力 v1——1-1面处消防水流速 v2——2-2面处消防水流速
hf——两界面的水头损失
ρ1——水的密度
图 2-3 混合器平面图 Fig 2-3 Mixer Unit drawing
又因为，
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v1=Q1/A1 (2-2) v2=Q1/A2 (2-3)
Z1=Z2 (2-4)
忽略水头损失hf，由式(2-1)可得
Q1=
2
P1−P22A12⋅A2
⋅2 (2-5) 2
ρ1A1−A2
对于泡沫管的泡沫液流量 ，泡沫液管道为薄壁孔定常淹没出流问题，其流量公式为
Q2=μA
2(P3−P2)
ρ2
(2-6)
其中，
ρ2——为泡沫液密度，
μ——为孔板的流量系数，其数值大小可查表[23]。
用混合液中泡沫剂的体积除以混合液的总体积，泡沫剂和消防水的体积之和，即
R=
Q2
(2-7)
Q1+Q2
μA
=
2(P3−P2)
ρ2
2
2(P3−P2)P1−P22A12⋅A2
⋅2+Aμ2
ρ1ρ2A1−A2
考虑理想状态，消防水压力P1等于注入的泡沫液压力P3，则
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μA
R=
21
22
1
ρ2
A⋅A1
+μA
ρ2ρ1(A12−A22)
(2-8)
从上式可以看出，混合比例与管道的特征尺寸有关、与流体的密度有关。
2.3 平衡方程的建立
M-BP60型的平衡比例混合器是一款专门为石化罐区较大流量的固定式泡沫灭火系统而设计的平衡阀与混合器结构合二为一的混合器，图2-4为其结构示意图。上面部分为起到使注入的泡沫液与消防压力水达到动态平衡的平衡阀，下面部分为能够使泡沫剂与消防水均匀混合的混合器。这种功能的实现，是依靠平衡阀巧妙的内部的结构。
图 2-4 阀体结构图示意图 Fig 2-4 The Structure of Valve Body
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由于其采用了一体化的设计理念，这样可以简化系统的结构，使得平衡式泡沫比例混合装置外观上更简单，体积也相对减小，优化了系统空间，同时也便于安装。
在图2-1中，我们可以看出橡胶隔膜的上端空间与混合器的消防水是通过一个管道相连接的，橡胶隔膜的上隔板的上表面与高压消防水接触，受到一个向下的压力；下隔板的下表面与经过调解之后的泡沫液接触，受到一个向上的压力。在两个压力及两个隔板和阀芯重力的相互作用下，达到动态的平衡，起到调解注入下部混合器泡沫剂压力的作用。隔板的上下移动，会直接带动平衡阀阀芯的移动，阀芯在隔板的带动下会调解由泡沫泵进入阀体内部泡沫剂的流量，从而起到控制压力的作用，实现两种液体之间的压力的平衡。
平衡式比例混合器中的所谓平衡是指由消防泵泵入混合器高压消防水与经过平衡阀调解的泡沫剂之间压力大小近似相等，由于工程上消防水的压力不可能稳定在一个固定值上，所以这个平衡也是动态的平衡。这里我们所论述的平衡都是相对的、瞬态的，而不是绝对的，是允许被调节的注入混合器的泡沫压力在一定的被控范围波动的。
如图2-5所示，由于阀体的内部被分割为若干部分，所以各个部分内部的液体压力也是不同的，正是利用这一特点，以控制阀体内部阀杆的状态。
图 2-5 阀体内压力与受压面 Fig 2-5 The pressure and pressure surface
其中：
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P——控制压力，即消防水的压力
1
P2——供给泡沫液压力，即泡沫泵出口压力 P3——经过平衡阀调节后的泡沫压力
A——隔膜上（下）表面积
假定阀杆处于平衡状态，我们根据受力与平衡可得到下列等式：
P1⋅A+Mg=P3⋅A (2-9)
其中：
M——阀瓣的质量 g——重力加速度 两边同除以P3⋅A得
P1Mg+=1
(2-10) P3P3⋅A
又因为
Mg
是一个很小的量，可得： P3⋅A
P3约等于P1，且P3要略大于P1。
于是在平衡阀正常工作时，当控制压力P1变大时，隔板收到向下的压力变大，引起阀杆往下运动，阀口变大，会使P3升高，直到新的平衡出现；当控制压力P1变小时，隔板收到向下的压力变小，引起阀杆往上运动，阀口变小，会使P3降低，直到新的平衡出现。
2.4 总体方案设计及其合理性
机电设备总体系统的功能原理设计是在产品设计当中起到的关键作用的一个必要阶段，该阶段对产品的总体技术性能参数、产品造价和产品外观造型起到了重要的决定作用。它是产品的技术设计、工作设计及文档设计的重要依据。在系统功能原理设计当中，我们选定了最理想的功能原理设计方案，以实现对产品功能的要求。总体设计必须保证实现功能原理方案的基础上，尽可能地考虑人——机——环境、运行操作等外部系统的联系，是系统之间及环境之间能够良好的运行于融合，以到达最佳的设计方案。
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如2-6所示，为平衡式泡沫比例混合装置的结构示意图。
Electronic Control Box其中：
1——电控箱 2——电动机 3——一体式混合器
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Water/Foam OutletWater InletFoam Inlet
图 2-6 平衡式泡沫比例混合装置的结构示意图 Fig 2-6 Schematic View of Balanced Pressure Proportioning Set
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4——泡沫泵 5——水轮机。
另外，高压消防水是由外部的消防水泵提供。
根据公理设计理论，系统设计必须满足一系列最高层次的功能需求(FRs)和约束(Cs)。这些都是通过确定一组合理的设计参数(DPs)来满足的。对于它们的分解，直到它们的“叶”建立起来才算是完成。
公理设计概念最早是有麻省理工学院(MIT)的Nam Pyo Suh教授在20世纪70年代提出的。公理设计理论正式提出是在1990年的The Principle of Design一书中
[17-18]
。公理设计理论是目前应用较广泛的公理设计方法之一。国内外专家学者相
继对此理论进行了研究，并取得了一定的成果[19]，但是仍处在初级阶段[20]。 2.2.1 公理设计的基本概念 1．域的概念
在设计活动中，通常在“目标(What)”和“途径(How)”之间互动。公理设计理论把设计世界分为4个“域”：用户域(The customer domain)、功能域(The function domain)、物理域(The physical domain) 和工艺域(The process domain)。 他们的元素分别是用户需要(CNs) 、功能要求(FRs) 、设计参数(DPs) 、工艺变量(PVs)[17]。 彼
图2-7 设计世界的四个域
Fig 2-7 Four Domains of the Design World
此相邻之间的映射关系如图2-7所示[18]。每个映射中， 前者为“目标”，后者为“途径”。
公理设计是一种结构性的设计方法，是一个自上而下的过程。高层次的决策将会直接影响低层次的设计求解状态。公理设计采用”之”字型(Zig-zagging)的变换方法，如图2-8，充分体现出相邻域之间的紧密关系。
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图2-8 公理设计过程 Fig 2-8 The process of AD
2．公理设计的基本原则
公理(Independent Axiom)
公理：保持功能要求之间的性[18]。
这里的是要求设计的各种功能之间彼此是相互，不是系统物理结构彼此之间相互[18]。
我们利用公理对要设计的产品功能与结构之间的关系进行分析，来描述他们之间的相互联系。他们的映射关系如下:
{FRs}=[A]{Dps} (2−11)
⎡FR1⎤⎡DP1⎤⎢FR⎥⎢Dp⎥
2⎥，{DPs}=⎢2⎥。 其中： {FRs}=⎢
⎢M⎥⎢M⎥⎢⎢⎥⎥⎣RFn⎦⎣Dpn⎦
⎡A11⎢
设计矩阵[A]=⎢A21
⎢M⎢⎣An1
A12A22MAn2
A1n⎤
∂FRi
KA2n⎥A=，而。对一个线性的设计，Aij为⎥ij
∂DPjMM⎥
⎥
KAnn⎦K
常数；对非线性设计，Aij是DPs的函数。设计矩阵有两种特殊的情况:对角线矩阵和三角矩阵，如图2-9所示。 在一个设计当中，如果设计矩阵既
⎡X00⎤⎡X00⎤⎢0X0⎥⎢XX0⎥
⎥⎢⎥⎢
⎢⎢⎣00X⎥⎦⎣XXX⎥⎦无耦合设计 解耦设计 X−强联系 ; 0-无联系或弱联系
图2-9 设计矩阵的特殊形式 Fig 2-9 The Special Form of Design Matrix
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如果设计矩阵既不是对角矩阵也不是上三角或者下三角矩阵的情况下，我们得到的设计是一个耦合设计，是不能满足性要求的，于是导致设计失败。在设计活动中，要想做到无耦合设计，即各个级别的设计矩阵都是对角阵，是相当困难的，在设计中应力求做到解耦合设计[21]。
信息公理(Information Axiom) 信息公理:使信息含量最小[18]。
信息公理从功能要求实现的预期效果角度定义信息含量。信息以比特位单位给出。对给定的FRi，信息量Ii由式(2-12)给出，
Ii=−log2Pi=log2
1Pi
(2−12)
若系统存在m个FR， 则总的信息量
Isys=−log2P{m} (2-13)
其中P{m}是所有FRs得到满足的联合概率[19]。当所有FRs在统计上时，且在无耦合设计情况下，总的信息量由式(2-14)给出
Isys=−log2P{m}=−∑log2Pi (2-14)
i=1m
其中Pi可具体地表示为Pi=(Common Range)/(System Range)，如图2-10所示。
总之，公理设计理论为设计者们提供了一套合理的设计理念与方法，其主要应用设计的早期阶段，此阶段决定着产品大部分的最终价值。公理设计将设计综合分析过程标准化，指导设计者正确地进行设计决策。
图2-10 设计范围和系统范围的公共部分
Fig 2-10 The Common Area Between Design Range and System Range
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2.2.2 公理设计在泡沫灭火系统的应用
随着社会的进步，人们对油库、工厂、仓库等场所的消防安全越来越重视。对火灾的预防是降低经济损失的最佳途径，但是灾害一旦发生，主要依靠消防装备进行有效地灭火。灭火装备的核心部分是泡沫比例混合装置。下面应用公理设计，讨论平衡式泡沫比例混合装置的设计问题。
FRFR1FR2FR3FR4FR41FR42FR21FR22FR23FR24FR25FR241FRFR241242 图2-11功能分解层次图
Fig 2-11 Functional decomposition hierarchy diagram
DPDP1DP2DP3DP4DP41DP42DP21DP22DP23DP24DP25DP241FRDP241242 图2-12 设计参数分解层次图
Fig2-12 Design parameters decomposition hierarchy diagram
应用公理设计提供的设计框架，采用“之”字型(Zig-zagging)的变换方法，从功能分解角度，将平衡式泡沫比例混合装置分为3级，并得到功能要求与设计参数的分级层次图，如图2-11、图2-12所示。 1. 第一级分解
FR1=压力消防水，DP1 =压力消防水管道(由外部消防水泵提供压力消防水，
应在0.6-1.2MPa[7])； FR2=泡沫液供给， DP2=泡沫液供给装置；FR3 =混合比的
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控制， DP3=一体式比例调节器；FR4 =冲洗功能， DP4=冲洗组件。 第一级的设计为:
⎡FR1⎤⎡X⎢FR⎥⎢0⎢2⎥=⎢⎢FR3⎥⎢0
⎥⎢⎢FR⎣4⎦⎣0
0X00
00X0
0⎤⎡DP1⎤
⎢DP⎥0⎥⎥⎢2⎥ (2-15) 0⎥⎢DP3⎥
⎥⎥⎢
X⎦⎣DP4⎦
此时我们得到的是一个解耦设计。 2
第二级分解
2.1 对ܨܴଶ的分解
DP21=常压泡沫液储罐； FR22=泡沫液管道的通断， DP22FR21=提供泡沫液，
=电控阀门； FR23=过滤泡沫液， DP23=过滤器； FR24=升高泡沫液压力， DP24=增压组件； FR25=防止泡沫液回流， DP25=单向阀。
此时我们得到的设计为：
⎡FR21⎤⎡X⎢FR⎥⎢0⎢22⎥=⎢⎢FR23⎥⎢0⎢⎥⎢FR⎣24⎦⎣0
0X00
00X0
0⎤⎡DP21⎤
⎢DP⎥0⎥⎥⎢22⎥ (2-16) 0⎥⎢DP23⎥
⎥⎥⎢
X⎦⎣DP24⎦
2.2 对FR4的分解
FR41=引出部分消防水，DP41 =引水管道；FR42 =引水管道的通断，DP42 =
球阀； 分解矩阵为:
⎡FR41⎤⎡X ⎢⎥=⎢XFR⎣42⎦⎣
2.3 第三级分解：对DP24的分解
0⎤⎡DP41⎤
⎢DP⎥ (2-17) X⎥⎦⎣42⎦
FR241=增压执行， DP241=泡沫液泵； FR242=增压源动力， DP242=电动机。
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调整设计参数和功能要求的排列顺序，得到设计：
⎡FR242⎤⎡X⎢FR⎥=⎢X⎣241⎦⎣0⎤⎡DP242⎤
⎢DP⎥ (2-18) X⎥⎦⎣241⎦
以上是整个平衡式泡沫比例混合装置的分解过程。得到了一个满足公理设计的解耦设计。如表2-1所示，叶的设计参数和功能要求的关系表。
表2-1. 叶的设计参数和功能要求关系表
Table 3-3 The relational table between design parameters and functional requirements 项目 DP1 DP21 DP22 DP23 DP242 DP241 DP25 DP3 DP41 DP42 FR1 FR21 FR22 FR23 FR242 FR241 FR25 FR3 FR41 FR42
X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 X X 0 X X 0 0 0 0 0 X X 0 0 0 X 0 0 0 X X X 0 0 X 0 X 0 0 0 0 X 0 0 X X 0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 X X
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第三章 关键部件的选定
3.1 平衡比例混合器的选定
在平衡式泡沫比例混合装置中，起到平衡消防水和泡沫剂的平衡阀和使消防水与泡沫剂混合的混合器是其装置的重要组成部分，也是该装置的核心组件。在产品工作时时，该组件的运行情况直接影响到整个固定式消防系统的运行性能，即其衡量设计成败的重要因素，同时也对产品的最终工作性能起到至关重要的作用。
在保证系统性能满足设计要求的情况下，考虑到装置结构的简易型，外观的美观性等方面，我们选择了平衡阀和混合器为一体式的平衡式比例混合器。下表表3-1为挪威MATRE MASKIN AS公司的M-BP系列的各项技术参数，包括流量、混合比等。
根据客户的要求及国内现在对平衡式泡沫比例混合器的需求，我们选定M-BP60型的平衡比例混合器。图3-1为M-BP60型的平衡比例混合器实物图。
表3-1 M-BP系列数据表格 Table3-1 The Data Table of M-BP Series
型号 流量(L/MIN)流量(L/S)
1.3-11.72.2-21.75.0-48.38.8-88.323-233.341.4-366.7
混合比
1%、3%、6% 1%、3%、6% 1%、3%、6% 1%、3%、6% 1%、3%、6% 1%、3%、6%
M-BP15 75-700M-BP20 130-1300M-BP30 300-2900M-BP40 530-5300M-BP60 1400-14000M-BP80 2500-22000
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图3-1 M-BP60型平衡比例混合器 Fig3-1 Balanced Proportioner of M-BP60
3.2 管道的选择
选定M-BP60型平衡比例混合器，根据其技术要求，我们选定DN 150的管道作为连接平衡比例混合器前后的管道。
根据经济流速的推荐，DN 150的管道其经济流速大小为2m/s，流量为127.2m3/h。 于是我们设定该装置的最多流量为130m3/h。
3.3 泡沫泵的选择
泡沫泵的选择是根据泡沫灭火剂的理化性质所决定的。泡沫灭火剂是具有一定粘度的流体。在固定式泡沫灭火系统中通常用的泡沫灭火剂有下面几种，第一种为蛋白泡沫灭火剂，第二种为氟蛋白泡沫灭火剂，第三种为水成膜泡沫灭火剂，第四种为抗溶性水成膜泡沫灭火剂和第五种抗成膜氟蛋白泡沫灭火剂，前三种的粘度相对较小，其值一般情况下小于100 mPaS，后面的两种粘度较大一些，一般情况下不低于20000 mPaS。同时，泡沫灭火剂的润滑性表较差，具有气蚀性和腐蚀性。这就对泡沫泵的的选择做出了一定的要求。
对于普通的齿轮泵，其对所运送的液体要求到达一定的粘度，以便在齿轮的齿部形成具有润滑和保护的液膜。对于离心泵，必须所运送的液体只有工作前充满离心泵内部时，才能正常工作，这对实际的消防工程来讲，在操作性上具有一定的难度。其次离心泵对所运送液体的粘度具有一定的要求，如果粘度超过一定的要求，将会对工作效率产生很大的不利影响。再次，离心泵会产生气蚀现象[15]，
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从而对泵体产生腐蚀损害，降低泵的性能。另外，由于泡沫液的化学成分，所以其对设备也具有一定程度的腐蚀性，所以对泡沫泵的材料性能有者特殊的要求。
针对上面的对泡沫泵的特殊要求，我们选择了英国Albany公司的HD系列的泡沫液齿轮泵，如图3-2所示。
图3-2 HD系列泡沫液齿轮泵
Fig3-2 Foam Concentrate Gear Pump of HD Series
ALBANY泡沫齿轮泵采用独特的定时齿轮分配设计，人字型的齿轮结构，使得泵的效率更高，结构更加紧凑合理。非接触式的齿轮结构，使得运行更加平稳，噪音更低，耐高温、耐腐蚀性能。
对齿轮泵的要求流量要相对稳定、工作时压力变化相对较小、其体积方面不能过于、在结构上也要尽量的简单，不能过于复杂、在对液体粘度适用方面其粘度范围要相对较广一些，以保证齿轮泵在工作时的可靠性能及良好的自吸能力。ALBANY泡沫齿轮泵独到的轴承结构设计，使得泵的使用寿命更长，而且拆装更换方便。相对于轴衬的设计结构，则体现出极大的优势，并且有利于泵的干摩擦。ALBANY泡沫齿轮泵采用PTFE唇形密封的结构，在确保10 min以上干摩擦的要求下，确保泡沫液不泄露[16]。独特的自润滑功能，内部轴承结构适应于内部介质的自润滑。平缓的流量——扬程曲线，在特定的扬程下适应于较大范围的使用流量。
另外值得指出的是，该型号的泡沫齿轮泵采用一体式结构的泄压阀，实现内部液体介质的循环，使得运行更加安全平稳，管网的配置更加简单。
对于HD系列的泡沫齿轮泵，有HD4、HD5、HD6、HD7及其他型号。对泡
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沫泵型号的选择，只要能够满足系统对泡沫液的需求就可以。当最大流量为200L/s时，所需泡沫液的流量Qf为：
Qf = 130L/s×（3%-3.9% ）=（3.9-5.07）L/s
如图3-3所示，为HD5齿轮泵的转速—流量图，当选用电机为1500RPM时，泡沫液的流量为12.5L/s> Qf=（3.9-5.07）L/s，能够很好地好满足对泡沫液的需求。
1614流量L/S12108500
700
900
1100
1300
1500
1700
1900
转速R.P.M
图3-3 HD5齿轮泵的转速-流量图
Fig3-3 The Rotate speed –Flow of HD5 Gear Pump
3.4 电机的选择
对于驱动泡齿轮沫泵电机的选择，只需要在最经济的前提下，满足齿轮泵对动力需求和保证工作环境下的安全性能就可以。在平衡式泡沫比例混合装置工作时，工作环境是很恶劣的。同时，其工作处于油库罐区，在运行时更不能产生电火花。于是我们选择防爆电机作为驱动泡沫齿轮泵的动力源。
防爆电机为可以在易燃易爆的环境中使用的一种特殊电机，在其工作时不会发生火花现象。防爆电机大部分应用与煤炭矿井、天然气行业、化工产业。同时，在容易起火的纺织领域、民用煤气工厂、金属炼制、城市轨道交通、纸品制造等部门也被广泛应用。防爆电机与普通电机一样是被作为动力设备，产生旋转运动，一般情况下要经过减速器调速。
该电机采取可以隔离爆炸外壳把内部电火花、电弧现象以及温度过高的电气元件与环境中的可被引发爆炸气体混合物分开。但是这种特殊的壳体也不是使内
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部与外部环境完全隔离开的，也就是说电机内部的的气体完全可以与周围环境进行交换，环境中的可暴行气体进入电机内部是很正常的现象。当电机工作时，形成点电机内部或者环境中的气体条件时，电机的壳体也不会发生变形损坏现象，也不会造成环境中爆炸性气体的爆炸。
1098输入功率KW765432400
900
1400
1900
转速RPM
图3-4 HD5齿轮泵的转速-吸收功率图
Fig3-4 The Rotate speed –KW.Absorbed of HD5 Gear Pump
图3-4为泡沫齿轮泵转速与其吸收功率之间的关系。根据泡沫齿轮泵转速与其吸收功率之间的关系及电机商家提供的型号参数，我们选择了YB2-160M-4型号的电机。其性能参数如表3-2所示。
表3-2 YB2-160M-4电机数据表格 Table3-2 The Data Table of YB2-160M-4 Motor
额定Ration
型号Model
功率Power (KW)
YB2-160M-4
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效率
转速Rotary Speed (r/min)
Efficiency
(%)
电流Current (380V)A
11 22.3 1460 88.0
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3.5 水轮机的选择
为了增加系统的安全性和可靠性，能在紧急的状态下，完成灭火任务，我们选择以水轮机作为驱动动力的备系统。因为在某些场合下，水轮机驱动有其独特的优势，只需一定要求的水源而无需电动机或者内燃机作为驱动动力。这被视为电动机驱动的一个最适当的相互补充。
我们利用水轮机把高压消防水中所蕴含的部分能量转换为旋转机械能以驱动泡沫泵的转动。高压消防水经过管道进入水轮机，由于消防水和叶轮之间的相互作用，叶轮在水的冲击下发生转动，所以能量的形式就会发生改变，能量由水流传递给水轮机的叶轮，即把水流所蕴含的部分水头转换为齿轮泵的机械能，水轮机获得能量之后便可以旋转，带动泡沫齿轮泵，为泡沫剂增压。
图3-5 Pelton水轮机 Fig 3-5 Pelton Water Turbine
图3-5为所选的ALBANY的一款Pelton水轮机，并且有与其相互匹配的泡沫齿轮泵，其连接结构紧凑，可以节约安装空间。其适用4 L/s—10 L/s 的泡沫液流量。
3.6 控制器的选择
平衡式泡沫比例混合装置是机电一体化产品的一种形式。机电一体化是一门综合的学科，也是一门新兴的学科，其涉及的知识广泛，包括机械方面的知识、电气方面的知识以及计算机科学知识。这些学科之间相互，又相互结合、相互协调共同形成机电一体化这门学科。由于该学科的综合性，包含了多门学科的
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基本知识，在机械组件形成的骨架上，又添加上起到神经中枢作用的电气部分，利用各种传感器技术，和人工智能知己自动检测系统的各个部分，当某一组件发生异常情况时，会发出报警信号，系统做出自动诊断或者提醒用户。因为机电一体化产品的功能比传统的方式更加丰富，装置的调整和维护也都比传统的方便的多，可以通过改变不同的工作程序以适应各种不同的工况场合，所以得到了广泛的应用。
泡沫比例混合装置的功能是通过其内部各组成部分功能的协调和综合来共同实现的。首先为能够完成使消防水和泡沫剂混合的基本结构，第二具备为消防水和泡沫剂增压的动力机构，第三要有检测部分，检测装置在工作过程中的各种异常情况，另外就是具有控制装置工作与否的控制部分。具有这些基本功能的各个组成部分及其相应的技术相互配合就构成了整个产品的系统。
我们对于控制器的选择为S7-200 PLC，如图3-6所示。PLC因其优越的性能而深受工业控制人员的欢迎。
1.首先是其抵抗外界干扰能力的很强，于是它具有很高的可靠性，这要得益于其特殊的设计。
2.适应性强，应用灵活，采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。 3.编程及设计、安装、调试方便，PLC可采用梯形图语言，直观易懂。 4.维修方便，工作量小，功能完善。
5. 体积小，重量轻，功耗较低。正是由于PLC具有以上所述的优点，我们选择其作为系统的控制器。
图3-6 可编程逻辑控制器 Fig 3-6 Programmable Logic Controller
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第四章 混合比仿真研究
4.1 仿真的正交设计
仿真的是现在科学研究、产品开发比较常用的一种模拟真实情景的方法，目的是通过数学或物理模型认识真实情况。它所遵循的基本原则是相似性原理。仿真的优点在于经济性、安全性、快捷性和具有优化设计和预测的特殊功能。在现代的设计与实验过程中，越来越受到重视。
CFD(Computational Fluid Dynamics) 是计算技术与数值计算技术的结合体，是利用数值模拟的方法求解流体试验的过程[25]。 CFD方法具有成本低、能模拟较复在设定的参数一定时，利用CFD软件进行一次模拟，杂或较理想的过程的优点[26]。
相当于进行了一次实际试验。通过对模拟结果的分析，可以很好地指导我们实际的试验与研究。
图4-1为所设计的平衡式比例混合装置流道的三维模型，主要部件为预制管道、混合器部分以及泡沫剂注入管道口等。
图 4-1 混合器(3D) Fig 4-1 Mixer Unit (3D)
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对于孔板，如图4-2所示。孔板为一个带有孔口的金属板，流体流过孔板的孔口，流体流动的截面积收缩。孔板起到调节泡沫液注入量的作用，当混合液的混合比不符合设定的要求时，可以通过更换孔板来调节。当混合液比例偏大时，可以采用孔口直径略小的孔板；当混合液比例偏小时，可以采用孔口直径略大的孔板，直至混合液的混合比符合规定。孔板的三维图如图4-2所示。
图 4-2 孔板(3D) Fig 4-2 Orifice Plate(3D)
所以，孔板孔径大小的确定关系到装置最终的混合比例，是整个平衡式泡沫比例混合装置能否达到设计技术要求的重要因素。下一节我们设置正交试验，对孔板的选定进行数值模拟。
正交试验设计和分析方法是当前常用的工艺优化试验设计和分析方法之一，是部分因子设计的主要方法[25]。其理论基础在于概率论、数理统计及实践经验[26]，目的在于在不影响试验结果的前提下，尽可能减少试验次数，以部分试验结果来代表全部的试验结果。
表4-1 影响因素及其水平 Tab4-1 The influencing factors and levels
因水 平 素 A 进口压力(MPa) B 流量(l/s) C 孔板内径尺寸(mm) 1 0.6 30 15 2 0.9 80 20 3 1.2 130 25
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正交表是正交设计的主要工具，它是将各个试验因素各个水平之间按照科学的规律均匀搭配和合理滴安排，是一种相当高效也很经济的实验方法[27]。对于混合比例的影响因素主要有进口压力、流量及孔板内径尺寸，每个因素都考虑3个水平，具体情况如表4-1。
此处需要声明的是，泡沫管的进口压力的选择与消防管进口压力相同，虽然在实际工况中泡沫管进口压力略大于消防管进口压力，但是相差很小，对混合比的模拟影响不大，在无法确定其大小的情况下，我们退而求其次，令两者大小相等。
我们选取L9(34)正交表[27]的前三列安排实验计划，结合实验因素的各个指标，可得各因素搭配正交表4-2。
表4-2 因素搭配表正交表 Tab4-2 Orthogonal table
因编 号 1 0.6 30 15 2 0.6 素 A B C 80 20 3 0.6 130 25 4 0.9 30 5 0.9 80 6 0.9 130 7 1.2 30 8 1.2 80 9 1.2 130
20 25 15 25 15 20 根据这9组数据搭配，我们逐一进行仿真模拟。
4.2仿真&数据处理
为了验证混合器在不同压力下不同压差下的能否满足混合比例的要求，上一节对3个因素3个不同的水平进行了正交设计，以在尽量少的试验模拟次数下达
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到最佳的效果。
在模拟之前对模型设置很重要，该模型涉及到的物质为水和泡沫液，在此我们选择水成膜泡沫液，因为其对非极性的碳氢燃料（如原油、汽油、燃料油）的火灾有很好的效果，在主要参数为：
表4-3 水成膜泡沫液参数 Tab4-3 AFFF parameters
外观
比重（20℃） PH值 粘度（25℃） 最低使用温度 最高使用温度
浅琥珀色 1.012 7.5-8.5 3.0CPS -2℃ 45℃
凝固点 发泡倍数 析液时间 灭火时间 封闭时间
-4℃ 8.0 3.5min 小于3.0min 大于10.0min
首先，我们建立一个流体仿真工程，如图4-3所示。
图 4-3 建立流体仿真工程
Fig 4-3 Creating a new Flow Simulation Project
根据上述参数，在CFD软件中添加新的流体介质3%的AFFF，如图4-4所示。
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图4-4 添加水成膜泡沫液
Fig4-4 Add AFFF
在不失一般性的前提下，我们以表格4-2中的第二组数据为例，工作压力为0.6MPa，流量为80 l/s孔板内径为20mm。需要设置的边界条件与工程目标如图4-5所示。
图4-4 边界条件与工程目标
Fig4-5 Boundary conditions and project objectives
当我们设置好所需要的条件之后，然后对各组参数逐一仿真。我们可以得到如表4-4的数据。
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表4-4 仿真数据 Tab4-4 simulation data
1 2 3 4 5 6 7 8 9 孔板
mm 15 20 25 20 25 15 25 15 20 混合比R
从上表可以看出，在孔板大小一定的情况下，混合比例可以认为是确定的，即混合比与消防管道的进口压力、流量大小无关。为了更明显地看出混合比与孔板的关系，我们绘制R-φ的曲线如图4-5。
图4-5 R-Φ曲线 Fig 4-5 R-Φ curve
1.7% 3.1% 4.6% 3.1% 4.6% 1.7% 4.7% 1.7% 3.1%
R‐Φ曲线
65混合比%4321010
15
20孔板尺寸
25
30
y = 0.002x2+ 0.21x ‐1.9
R² = 1
从图中可以看出，在15≤Φ≤25的条件下，混合比R与孔板尺寸Φ成二次函数关系，y = 0.002x2 + 0.21x - 1.9， R² = 1。同时我们也注意到当Φ=20时，混合比例为3.1%，根据仿真，我们可以推测，在实际样机的孔板大小亦应该在Φ=20附近，这对实际孔板的选择有着重要的指导意义。
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4.3管内流体的性质
管内流体的比较复杂，特别是在流速比较高的情况下很难精确地用数学公式计算出各个部分的压力与流速。很多理论都是建立在理想流体的基础之上，在很多情况下得到是一些非线性的微分/偏微分方程，求解相当困难。随着CFD软件的发展与完善，我们可以利用其仿真很难用计算或者实验来得到的数据及图形，为我们更好的研究流体提供了强有力的工具。
图 4-6 压力云图 Fig 4-6 Pressure Contour
从图4-6的压力云图我们可以看出，在混合器处压力最小，因为此处流速最大引起压力减小的原因。在混合器的两侧压力变化比较大，这是因为混合器处流道突变，使得压力在该处有着较大的损失；同样从图4-7的仿真结果我们可以看出，在直管入口直管内流速较低，而且变化不大，而在混合器的流道部分及出口处流速变化较大。上面的叙述我们可以从伯努利方程（4-1）很好的找到答案。
P1
2
u12P2u2++Z1=++Z2 (4-1) γ2gγ2g
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图 4-7 速度云图 Fig 4-7 Velocity Contour
对于整个的仿真过程，也是工程目标的数值逐渐逼近最终真实值的一个过程，我们以第二组试验的混合比为例，给出了其值随着迭代步数之间的变化关系，如图4-8所示。
混合比‐迭代步数曲线
0.350.30.25混合比0.20.150.10.050‐0.050
20
40
60迭代步数
80
100
120
图 4-8混合比-迭代步数曲线 Fig 4-8 Mixing ratio - iteration steps curve
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第五章 装置的试验研究
5.1试验目的和要求
试验是检验样机性能和得到样机参数的最直接途径，同时也是确定样机中部分结构具体参数的重要手段。本章的主要内容为：
（1） 通过样机试验，确定孔板内径尺寸大小 （2） 通过样机试验，确定样机的混合比
（3） 通过样机试验，确定样机的压力损失与流量的关系 （4） 通过样机试验，确定样机的运行稳定性
考虑到样机试验的人力成本和经济成本，我们对样机确定孔板的试验采用清水代代替泡沫液的方法进行。这是因为泡沫液与清水在密度上很接近，虽然粘度上有差别，但是对最后的数据结果影响有限。
试验条件：
试验地点：上海嘉定工业区某企业实验室 清水来源：清水水池（自来水）
泡沫液：环保型3%水成膜泡沫灭火剂（企业提供） 试验设备：
（1） 柴油机泵组一台，提供高压消防水
（2） 压力表两个，精度要求不低于1.5级（精密压力表，量程为1.6MPa或
2.5MPa，读数可精确到0.01MPa）
（3） 涡轮流量计两台，量程分别为80-800m3/h和4-40m3/h （4） 电导仪（型号为DDSJ－308A、0.5 级）、及若干烧杯 （5） PHP130-3平衡式比例混合装置一台（样机） （6） 管道、闸阀等其他设备
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试验要求：
对样机的实验，严格按照GB20031-2005 《泡沫灭火系统及部件通用技术条件》的要求经行。
将样机按照图5-1所示安装在实验管网之中，进口管网的直管的长度应不小于泡沫比例混合装置的10倍，对于出口管网的直管长度应不小于泡沫比例混合装置直径的5倍，以便减小紊流对实验结果的影响。
试验布局图如5-1所示。
图5-1 实验布局图
Fig5-1 Experimental Layout Diagram
5.2 孔板的选择
在第四章中，我们对孔板大小进行了仿真试验，并且得出了结论是当孔板内径Φ=20时，混合比例为3.1%。假定仿真结果足够准确，我们选择Φ=20的孔板应该可以满足技术需求。
在确定具体孔板参数之前，我们必须以Φ=20mm为中心，用车床加工出尺寸成等差多个孔板，分别为Φ=18.8mm、Φ=19.4mm、Φ=20.6mm、Φ=21.2mm，同时考虑到在模拟仿真的结果，于是我们第一次清水实验选定从Φ=20mm开始试验。图5-2为正在调试设备。
根据《泡沫灭火系统及部件通用技术条件》的要求，试验分别在最小进口压力、中间进口压力、最大进口压力下以及最小流量值、中间流量值、最大流量值条件下进行，于是我们可以设计表格如表5-1，并且逐一试验。在试验中，每一个
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数值的测量，都要等到系统稳定之后方可记录。
图5-2 实验的实施
Fig5-2 Experimental implementation
表5-1 清水试验数据(Φ=20mm)
Table 5-1 water test data 项序 号 目 混合液出口流量进口压力 MPa l/s m3/h 泡沫液管 流量 混合比% m3/h 4.4 4.1 1081 0.6 30 288 11.4 4.0 2 0.6 80 4683 0.6 130 1084 0.9 30 2885 0.9 80 4686 0.9 130 1087 1.2 30 2888 1.2 80 46 1.2 130
18.0 3.8 4.3 4.0 11.2 3.9 17.9 3.8 4.4 4.1 11.4 4.0 18.2 3.9 从上表可以)看出，当孔板大小为Φ=20mm，我们得到的结果部分数据不满足国家标准[3.0%，3.9%)规定 ，混合比例偏大。于是，我们选定Φ=18.8mm的孔板再次进行实验，结果如表5-2所示。
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表5-2 清水试验数据(Φ=18.8mm)
Table 5-2 water test data 项序 号 目 混合液出口流量进口压力 MPa l/s m3/h 泡沫液管 流量 混合比% m3/h 3.8 3.51081 0.6 30 288 9.5 3.32 0.6 80 4683 0.6 130 1084 0.9 30 2885 0.9 80 4686 0.9 130 1087 1.2 30 2888 1.2 80 46 1.2 130 15.0 3.23.7 3.49.8 3.415.4 3.33.8 3.59.8 3.415.0 3.2
从表格5-2得出，当孔板大小为Φ=18.8mm时，混合比例最大为3.5%，最小为3.2%，混合比例符合国家标准的要求，而且结果很理想。
混合比例的计算公式为：
R=
其中，Q1—混合液流量，
Q2—泡沫液液流量。
Q2
(5-1) Q1
从上面的两次清水实验可以得出，当孔板Φ=18.8时，用清水作介质试验得出的混合比均在区间[3.0%, 3.9%)之内，且都大于3.0%。于是我们选定Φ=18.8的孔板，进行精确试验。
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5.3 精确混合比与压力损失
本次试验混合比例的测定我们采用电导仪对混合液的混合比例进行测定，首先我们应该以标准混合比为中心，用四只100ml的试管分别配置比例为2%、3%、4%、5%的标准液样，然后分别对其进行电导率测试，并且制取混合比与电导率的标准曲线，以便对样机混合比进行对比。
值得注意的是调配标准液样的用水应该与样机用水是一样的，以消除不同水源对电导率的影响。以2%的标准液样为例在调配时，应该先选取容量稍大的滴管吸取适量的泡沫液试剂滴入干净的100lm试管，直到接近2ml，然后换用容量较小的滴管，逐滴滴入直到2ml，这个过程完成之后我们将消防水加入试管直至接近100ml，然后利用试管调配至恰好100ml为止。注意不要把试剂滴在试管壁上，影响精度。装有配置好的液样的试管要依次摆放避免混淆。
图5-3 电导率的测量
Fig5-3 The measurement of conductivity
在完成标准液样的调配并且搅拌均匀之后，分别将他们导入干净的、分别标有混合比标签的烧杯当中以便测取电导率。电导率仪如图5-3所示。电导仪的温度系数选择为0.02，统一将电导率值换算到25℃的数值，测量时将电极和温度计同时放入烧杯。测量结果如表5-3所示。
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表5-3 电导率值
Table 5-2 The conductivity valve
混合比 电导率ms/cm 温度℃ 直观的图形形式：
2% 3% 4% 5% 2.76 3.68 4.56 5.37 20.8 20.6 20.8 20.6 我们以电导率值为横坐标，以混合比值为纵坐标将上面表格中的数据绘制成更加
混合比电导率曲线
6%5%4%混合比3%2%1%0%
2
3
4
电导率ms/cm
5
6
7
y = 0.011x ‐0.011
R² = 0.999
图5-3混合比电导率标准曲线 Fig5-3 The measurement of conductivity
从上图可以看出，在测量的比例范围之内，混合比与电导率值成很好的线性关系，对其进行线性回归分析可得两者之间的关系为y = 0.011x - 0.011，其中y表示混合比，x表示电导率值。
在选取Φ=18.8的孔板之后，我们分别对样机的主系统和备系统分别进行精确试验，以检测样机的性能是否达到国家标准和设计要求。此时泡沫泵泵入的液体不再是清水而是环保型3%水成膜泡沫灭火剂，其主要的物理化学参数如表4-3所示。
在每个试验状态稳定后，我们用经过清洗干净的烧杯取出混合液的样品，取样之后并在上面做好标记，标记一定要清楚明了，以免混淆及对实验结果的分析
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造成不必要的麻烦和错误。分别测量电导率之后，根据混合比电导率的标准曲线，查询混合比，综合以上内容我们可以得到主系统的数据表格表5-4和备系统的数据表格表5-5。
表5-4 主系统试验数据
Table 5-3 Experimental Data（system1） 项序 号 目 进口压力 MPa 出口压力 MPa 流量 l/s m3/h电导率 ms/cm 混合比% 1081 0.6 0.59 30 4.02 3.3 288 3.91 3.2 2 0.6 0.54 80 3 0.6 0.43 1304683.90 3.2 4.00 3.3 3.88 3.2 3.83 3.1 3.94 3.2 3.83 3.1 3.80 3.1 1084 0.9 0. 30 2885 0.9 0.85 80 6 0.9 0.72 1304681087 1.2 1.19 30 2888 1.2 1.15 80 9 1.2 1.02 130468从上表可以看出，混合比例全部在区间[3%，3.9%)之内，即完全符合技术要求和国家标准的要求。对相同流量下的压差取平均值，然后绘制流量与压力损失曲线图5-4，可以看出，该装置主系统的压力损失还是比较理想的。
压力损失图
0.2
0.180.160.140.120.10.080.060.040.020
0
20
压力损失MPay = 1E‐05x2‐0.000x + 0.017
R² = 1
4060流量l/s
80100120140
图5-4主系统压力损失曲线 Fig5-4 T Pressure loss curve（system1）
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表5-5 备系统试验数据
Table 5-4 Experimental Data（system2）
进口压力 出口压力
流量
3
电导率
MPa 混合比%
MPa l/s m/h ms/cm 108216324108216324108216324
4.00 3.3 3.90 3.2 3.91 3.2 3.99 3.3 3.87 3.2 3.83 3.1 3.95 3.2 3.87 3.2 3.79 3.1 1 0.6 0.59 30 2 0.6 0.52 60 3 0.6 0.43 90 4 0.9 0. 30 5 0.9 0.85 60 6 0.9 0.72 90 7 1.2 1.19 30 8 1.2 1.15 60 9 1.2 1.01 90
从上表可以看出，混合比例全部在区间[3%,3.9%)之内，即完全符合技术要求和国家标准的要求。对相同流量下的压差取平均值，然后绘制流量与压力损失曲线图5-5，可以看出，备系统在流量为90l/s时，压力损失就达到了0.18MPa，这主要是因为消防水驱动水轮机时，有一定的水损失掉所导致的。
压力损失图
0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020
0
20
y = 4E‐05x2‐0.001x + 0.03
R² = 1
压力MPa40
流量l/s
6080100
图5-5主系统压力损失曲线 Fig5-5 T Pressure loss curve（system2）
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第六章 总结与成果
6.1 总结
本文研究并设计了平衡式泡沫比例混合装置，平衡式泡沫比例混合装置是消防装备的重要组成，广泛地运用在石化罐区、码头、工厂等需要对火灾严格防范的场所。在扑灭火灾的过程中起到了关键性的作用。
其主要组成部件有起到调解压力和混合作用的平衡式混合器、提供高压泡沫剂的泡沫泵、驱动备用系统泡沫泵的水轮机、起到控制作用的电控箱、主系统驱动泡沫泵的电机、一系列的阀门以及预制管道及其他部分。在设计过程中，我们根据市场需求，确定技术要求，对流量大小进行了设定，并选取的适合的管道。根据技术要求和国家标准对所需要的零部件选取，并对平衡式混合器进行了深入的探讨。
孔板大小的选择直接关系到混合比例是否符合国标的要求，对于孔板的选择，我们根据实际样机建立了三位的模型，并且利用CFD软件进行了仿真模拟，以指导实际试验中的孔板选择。
在试验中，我们先采用了进行了清水试验，对样机性能进行了测试，以减少试验费用。然后对样机进行精确试验，以检测其是否满足要求。
本装置已经取得国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检测中心的测试报告和中国国家强制性产品认证证书。
6.2成果
在整个研究生生涯当中，取得了一定的研究成果如下，
1. Can Wang, Hong-wu Chen, Jia Huan and Ming Li. Research on Balance Pressure Proportioning Set for Oil Tanker Based on Axiomatic Design. Part C: Engineering in Agriculture, Ocean and Light Industry, 2012, Vol.1, pp.116-121
2. Feng Wang, Hong-wu Chen, Can Wang, Shuai Zhang, Ting Gao. Fixed Deck Foam
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Extinguishing System on The Sea. International Journal of Comprehensive Engineering Part C: Engineering in Agriculture, Ocean and Light Industry, 2012, Vol. 1, pp128-132
3. Hongwu Chen, Can Wang, Feng Wang. Design and Fault Diagnosis Symptom Parameters on Gears. International Journal of Comprehensive Engineering (IJCE) Part C : Engineering in Agriculture, Ocean and Light Industry, 2012, Vol. 1, pp122-127 (ISSN 2186-375X for print, e-ISSN 2186-3768 for online)
4. Hongwu Chen, Xuan Liu, Can Wang. Design of A Pet Drinking Vessel based on TRIZ & Growth Design. Proceedings of 2011 International Conference on Uncertainty Reasoning and Knowledge Engineering, August 4-7, 2011, Bali, Indonesia, pp.-66 (EI 收录Accession number 20113914372833)
5. 陈洪武，毛黎文，王灿. 一种救生浮标。 专利申请号（专利号）：ZL201120044980.7，发文序号：2011053000007290，授权公告日：2011年9月7日，证书号第1927948号。
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致谢
转眼间三年的硕士生活已接近尾声，这段时光成了我人生最难忘的回忆。毕业在即，借此机会，向三年来在学习和生活上给予我极大帮助的师长、朋友、同学表示最诚挚的谢意。
本论文是在我的导师王世明老师和陈洪武老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，王老师和陈老师严谨的治学态度，精益求精的工作作风，渊博的知识，给予了我极大的教诲和启迪。从课题的选择到论文的最后定稿，两位老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。三年来，老师们不仅在学业上给予我以精心指导，还在思想、生活上给予我无微不至的关怀，在此谨向两位老师及所有的老师们表示最真挚的感谢和最崇高的敬意。
再次，感谢上海威逊机械连接件有限公司无私的提供实验场所、实验设备及技术上的指导。感谢贵公司各层领导的悉心关怀，以及工作人员对研发装置过程中给予的各方面的支持。在此，向全体公司人员致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢！
在课题的开展过程中，得到了同学在方案和技术上的帮助，在此，深深地感谢大家对我的无私帮助。
最后感谢各位专家教授在百忙中对本文的审阅和赐教!
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