本文是一篇机械论文，本文分析了喷嘴雾化产生机理、雾化灭火机理，根据伯努利方程与动量矩守恒方程，得到喷嘴几何特性参数对流量系数与雾化锥角的影响规律。利用有限元软件Fluent进行压力旋流喷嘴雾化仿真，对喷嘴内部流场分析了液体在旋流室的流动状态；对外部雾化场分析了压力及喷嘴结构参数对雾化粒径、雾化锥角、轴向速度的影响。最后使用遗传算法，以雾化粒径、雾化锥角为优化目标对压力及喷嘴结构参数进行多目标优化。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
火的出现创造了人类文明，目前我们的生活、生产中都离不开火。然而火具有两面性，如果疏于控制可能发生火灾。作为极其危险的灾害，火灾对人类生活、生命构成威胁，还会造成严重的经济损失。如表1.1所示，火灾被分为A、B、C、D、E五类[1]。据统计，全球范围内平均每天发生几万起火灾，每天平均有数百人会死于火灾。2020年，我国共发生火灾25.2万起。因此，世界各国十分重视消防灭火工作。
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在以前，消防灭火系统使用的大多是卤代烷系列灭火剂，这种灭火剂效率高[2]，能够快速扑灭火灾，在上世纪六七十年代后得到广泛应用。卤代烷灭火剂工作原理是：在高温下卤代烷化合物进行分解，产生Br离子与Cl离子，接着与H离子与OH离子发生化学反应，能够中断燃烧中化学连锁反应，实现灭火。但是卤代烷破坏臭氧层，威胁环境。因此世界各国要求停止使用卤代烷系列灭火剂[3]。联合国环境保护公约要求寻找替代卤代烷灭火剂的材料，例如惰性气体、二氧化碳气体或者泡沫等，为气体灭火剂研究指引方向[4]。
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1.2 国内外研究现状
根据雾化机理以及影响雾化的因素，得到良好的雾化效果可以通过多种途径
（1）改变喷嘴的尺寸以及几何形状，提高液体雾化效果；
2）对于单相流喷嘴，改变喷嘴入口工况条件，如液体的流量大小、喷嘴入口压力等，可以增加喷嘴出口处液体的速度，让液滴与气体发生更剧烈的摩擦作用，破碎为雾滴
（3）对于两相流喷嘴，增加气体流量，即增加气、液两相的速度差，使得液体动能较高，有助于将大液滴破碎成细小的雾滴。
国内外很多学者为了达到更好的雾化效果对喷嘴进行结构设计以及改进，其中实验和数值模拟两种方法在研究过程中使用最为广泛。
1.2.1 研究现状
在上个世纪，美国便已经对细水雾灭火技术有所研究。1989年，为了验证细水雾扑灭飞机客舱的火灾能否有效，美国与英国的民航局进行合作，完成相关实验[12]。实验中使用了1:1的比例场景，更加真实地模拟火灾情况，结果表明细水雾能够在飞机客舱环境内快速地控制并且扑灭火灾。国外有很多公司对细水雾灭火进行相关研究，如Marioff公司、Phirex公司等，研发了多种细水雾灭火系统，在多种工况下，展现出比较强的稳定性，灭火效果良好[13-14]。
雾化锥角与雾化粒径、轴向速度为喷嘴雾化性能的关键参数，是评价雾化质量好坏的重要依据。更大范围的喷雾锥角与更加细小的雾滴直径是细水雾灭火过程中所追求的目标。Liu[15]等使用粒子图像测速法（PIV）对不同结构的压力旋流喷嘴进行了研究，得到了雾滴浓度分布、雾滴粒径分布等特性，为喷嘴结构设计提供了依据。Liu[16]等使用实验和数值模拟结合的方法研究了旋流式喷嘴的多种几何参数对雾化锥角和雾化粒径的影响，并定义了无量纲影响因数用以评价几何参数对雾化锥角与雾化粒径的影响程度。Idziak[17]等以压力雾化喷嘴为研究对象，研究了圆形出口、锥形出口、异形出口对喷嘴雾化性能的影响，发现锥形出口和异形出口的雾化粒径更小。Amini[18]等对喷嘴设计理论方面进行了探讨，分析喷嘴几何形状和入流条件对液膜厚度、雾化锥角的影响。通过推导得出了液膜厚度、雾化锥角的求解公式，并与文献数据作对比，证明理论模型较为可靠。Zhang[19]等研究了压力旋流喷嘴出口尺寸与喷射压力对喷雾形态、速度分布、喷雾角度的影响，发现喷嘴出口长度与直径比值为2时，喷雾角度更大，并具有较高的速度。
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第二章 压力旋流喷嘴雾化机理
2.1 细水雾定义
细水雾能够应用于除尘、加湿、喷洒农药、冷却和消防等多方面。对细水雾的定义，各个国家的规范不同，日本与美国关于细水雾的标准就有所差异。日本定义细水雾分类：水雾平均粒径小于10μm为微雾，大于10μm且小于100μm为细雾[29]。美国制定细水雾标准：当设计压力最小时，在喷嘴出口1米远的截面上，雾化粒径Dv0.99 1000μm的水雾为细水雾[30]。此处Dv0.99 1000μm表示：水雾直径小于1000μm的水雾体积和占全部雾粒体积的99%。如图2.1所示，将细水雾按雾粒直径的尺寸分类为三个等级。随着喷雾方式的发展，目前细水雾普遍粒径为20-120微米之间[31-32]。
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2.2 喷嘴雾化方式
喷嘴雾化方式可以划分为以下几种：
（1）压力雾化方式
压力雾化是将液体压力能转换成雾滴动能的过程。液体通过喷嘴出口段的锥形旋流室后，沿着旋流室壁面做旋流运动，最后从喷嘴出口边缘喷出，与空气相互作用，形成细小的雾滴。
（2）撞击雾化方式
撞击式雾化喷嘴：由两个或多个直射式喷嘴按照一定规律布置组成的雾化喷嘴。射流在喷嘴出口处互相撞击，由于液体射流承受外力的冲击，在此影响下开始破裂，并且在空气摩擦作用下实现雾化。
（3）离心力雾化方式
离心力雾化：由于离心力的作用，液体逐渐成为薄膜，再变成细小雾滴。液体在高速旋转运动的圆盘上，迅速向圆盘边缘聚集并以液膜的形式甩出，液膜经过周围空气的摩擦而形成雾滴。
（4）气流雾化方式
气流雾化一般要采用两相流的喷嘴，这种喷嘴应该由两个及多个出口组成，即液体出口与气体出口。气体射流速度远大于液体速度，以至于液体与气体间形成很大的速度差，并且在气体摩擦作用力下，液体雾化形成为水雾。一般情况下，气流雾化的雾化流场形状呈现为实心雾锥。
（5）超声波雾化
在超声波作用下，雾化片能够发生高频的谐振，液体则被雾化片打碎，成为细水雾。超声波雾化能得到均匀且细微水雾，雾化粒径甚至达到纳米级。
在以上五种雾化方式中，气流雾化和压力雾化方式产生的雾化粒径、雾化锥角形状及雾滴粒径的分布状况更加符合灭火要求。气流雾化喷嘴较多用于手持灭火器 [33]。与压力雾化喷嘴相比较，气流雾化喷嘴在灭火时要消耗大量高压气体，还有冷却效能低的问题。对于细水雾灭火，压力雾化喷嘴的实用性更广，研究价值更高。所以，本文针对消防灭火问题，选用压力旋流喷嘴，对其雾化性能进行研究。
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第三章 压力旋流喷嘴雾化有限元模型建立及验证 .............................. 25
3.1 喷嘴流场理论 ........................................ 25
43.1.1 单相流模型 ........................................ 25
3.1.2 多相流模型 ........................................ 26
第四章 结构参数及压力对喷嘴雾化性能影响的仿真研究 ............................ 45
4.1 Minitab简介 .................................... 45
4.2 Box-Behnken试验设计 ................................. 45
4.3 喷嘴结构参数及压力对轴向速度的影响分析 ........................... 46
第五章 喷嘴结构参数及入口压力多目标优化 .................................. 53
5.1 NSGA-II简介 .................................... 53
5.2 基于NSGA-II的喷嘴结构参数及压力多目标优化 .................................. 54
第五章 喷嘴结构参数及入口压力多目标优化
5.1 NSGA-II简介
多目标遗传算法能够帮助解决多目标优化问题，协调目标函数间的关系，使目标函数都达到较小的（较大的）函数值。与NSGA相比，NSGA-II解决了算法存在的三个问题：
（1）采用快速非支配排序算法，复杂度降低，算法速度提高。
（2）采用拥挤度，不需要指定共享参数，能够使个体在整个Pareto域分布均匀，且有助于保持种群多样性。
（3）引入精英策略，当产生下一代种群时个体间互相竞争，保证不会丢失某些优良的个体，提高结果的精度。
NSGA-II运行过程如图5.1所示。首先，产生初始种群；接着就是快速非支配排序，使每一个体分级，再得出个体拥挤度；选择恰当的父代种群，完成变异、交叉；将得到的个体当作父代种群，重复循环此过程，直到终止。
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第六章 总结与展望
6.1 研究结论
压力旋流喷嘴在诸多场所均有应用，其雾化性能直接影响灭火效果。为了提高喷嘴的雾化性能，本文分析了喷嘴雾化产生机理、雾化灭火机理，根据伯努利方程与动量矩守恒方程，得到喷嘴几何特性参数对流量系数与雾化锥角的影响规律。利用有限元软件Fluent进行压力旋流喷嘴雾化仿真，对喷嘴内部流场分析了液体在旋流室的流动状态；对外部雾化场分析了压力及喷嘴结构参数对雾化粒径、雾化锥角、轴向速度的影响。最后使用遗传算法，以雾化粒径、雾化锥角为优化目标对压力及喷嘴结构参数进行多目标优化。本文主要结论如下：
（1）在理论方面，分析压力旋流喷嘴产生雾化机理，并得到喷嘴几何特性参数对流量系数与雾化锥角的影响规律，为后续研究喷嘴的结构设计提供理论依据。
（2）压力及结构参数对喷嘴雾化性能有决定性的影响。通过有限元仿真模型研究压力及结构参数对雾化粒径、雾化锥角、轴向速度的影响：压力升高，雾化粒径变小、雾化锥角增大、轴向速度变大；出口直径增加，雾化粒径变大、雾化锥角增大、轴向速度变小；旋流室长度增加，雾化粒径变小、雾化锥角减小、轴向速度变大。
（3）引入遗传算法，以最小的雾化粒径和最大的雾化锥角为目标进行多目标优化，得到一组最佳压力值及喷嘴结构参数。优化结果可以为实际消防灭火中喷嘴的选型提供参考，并且优化结果对压力旋流喷嘴的设计具有十分重要的指导意义。
参考文献（略）