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第 31 卷 第 8 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.8 104 2015 年 4 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr. 2015 基于 CFD-DEM 耦合法的灭火机风筒优化与试验 蒋梅胜 1，李 恒 2，李林书 3，彭 凯 1，王顺喜 1※ （1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 中机华丰（北京）科技有限公司，北京 100083； 3. 珠海出入境检验检疫局，珠海 519015） 摘 要：为了进一步研究风力灭火机的灭火性能，并防止灭完火的区域死灰复燃，在风筒进口增加了超细干粉灭火剂进 行喷射灭火。喷射式风力灭火机的性能主要体现在出口风速、射程和喷射的稳定性上，而后两者分别主要由灭火剂颗粒 的喷出的速度和风筒内滞留灭火剂的量决定的。该文采用 6MF-30 型风力灭火机使用的风筒为原型验证仿真模型的可靠 性，采用 CFD-DEM 耦合的方法对喷射式风力灭火机的工作过程进行仿真模拟。以风筒收缩角、灭火剂添加位置、风筒 长度作为因素，按照二次正交旋转组合设计进行仿真试验，进行显著性检验和方差分析，建立了回归方程。结果表明：3 个因素相对颗粒喷出速度和风筒内颗粒数都具有显著相关性，显著水平分别为 P0.0001 和 P0.001，而这 3 个参考因素 与出口风速无明显相关性；3 个参考因素中风筒长度是对机械性能影响最大的因素。采用响应面法、加权法综合对最佳 参数组寻优，发现喷射式风力灭火机收缩角取 20°，灭火剂添加孔道距进风口 140 mm，风筒长度 700 mm 时喷射式灭火 机性能得以提高。采用该参数组的虚拟试验结果显示，颗粒喷出速度提高至 41.24 m/s，同时风筒内颗粒数降低至 209 个。 实体样机验证试验表明：采用该参数组设计的风筒可以有效提高喷射式风力灭火机的喷粉射程 2.15 m，缩短灭火时间 1.7 s 且无复燃。该研究为风力灭火机风筒优化模拟提供了参考。 关键词：灭火机；计算机仿真；优化；CFD-DEM 耦合；风筒 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2015.08.016 中图分类号：S776.29+4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-08-104-08 蒋梅胜，李 恒，李林书，等. 基于 CFD-DEM 耦合法的灭火机风筒优化与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(8)：104－ 111. Jiang Meisheng, Li Heng, Li Linshu, et al. Simulation optimization and test of fire extinguisher funnel based on CFD-DEM coupling method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(8): 104－111. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 火灾是草原的大敌，草原火灾不仅给人类的生命财 产以及自然资源带来了巨大的损失，而且对全球气候植 被及生态环境造成了间接影响[1]。中国常用于扑灭草原火 灾的机械设备是便携式风力灭火机。风力灭火机的原理[2] 是通过两冲程汽油机带动风机产生强有力的高速风流贴 地表扫过，冲击火焰，使正在燃烧的温度骤然下降，从 而达到灭火的目的。 近年来国内外学者对灭火机的性能进行了大量研究 试验[3-5]。王振东等[6]提出了风力灭火机的优化设计方法 及目标函数选取准则，诸双磊等[7]得出了轴流风机的气动 性能曲线，刘长生等[8]提出了利用二氧化碳气体配合风力 灭火机的方案。 随着数值模拟的广泛应用，在近年的研究中，已有 学者采用数值模拟的方法进行灭火机的性能的研究，以 图在风机类型、叶片形状、蜗壳内部结构及风筒形状等 收稿日期：2015-02-16 修订日期：2015-03-18 基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项（200903041-04） 作者简介：蒋梅胜，男，博士生，主要从事草原森