套筒式防爆波活门通风性能试验研究_张晓辰.pdf

第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月防护工程POTECTIVE ENGINEEINGVol.45 No.1Feb.2023收稿日期:20220518作者简介:张晓辰(1988)，男，硕士，工程师，主要从事防护工程防护设备设计与研究。引用格式:张晓辰，柴永生，王月桂，等套筒式防爆波活门通风性能试验研究 J 防护工程，2023，45(1):2125ZHANG Xiaochen，CHAI Yongsheng，WANG Yuegui，et al Experimental study on ventilation performance of sleeve type blast valveJProtective Engineering，2023，45(1):2125套筒式防爆波活门通风性能试验研究张晓辰1柴永生1王月桂1王会杰1王东旭2邱旭2(1.军事科学院国防工程研究院，北京 100850;2.北京建筑材料检验研究院有限公司，北京 100041)摘要为研究活门结构和开启活门数量对活门通风阻力特性的影响，以套筒式防爆波活门为试验对象，开展通风性能试验并得到阻力特性曲线。结果表明:套筒式防爆波活门局部风阻随通风量提升逐渐增加，二者符合二次曲线特性规律;活门结构变化将一定程度影响局部风阻，相同条件下，将外活门通风孔数量增加一倍对局部风阻影响较小;在同一底座上再增加一道活门将显著增加局部风阻(提升幅度超过 75%);相同风量下，随着开启活门数量的减少，活门局部风阻显著提升。在设计时应保证活门承载后能够可靠复位，避免对工程通风效率造成不利影响。关键词防爆波活门;通风性能;阻力特性;消波系统Experimental study on ventilation performance of sleeve type blast valveZHANG Xiaochen1，CHAI Yongsheng1，WANG Yuegui1，WANG Huijie1，WANG Dongxu2，QIU Xu2(1.Defense Engineering Institute，AMS，PLA，Beijing 100850，China;2.Beijing Building Materials Testing Academy Co，Ltd，Beijing 100041，China)AbstractIn order to study the influence of valve structure and the number of open valves on the ventilation resistanceperformance of the blast valve，a sleeve type blast valve was taken as the test object to carry out the ventilation perfor-mance test and to obtain the resistance characteristic curve of the valve The results show that the local wind resistance ofthe valve increases gradually with the increase of ventilation volume，and both are in compliance with the characteristicsof the quadratic curve;the structural change of the valve will affect the local wind resistance of the valve to a certain ex-tent;under the same conditions，doubling the number of vent holes of the valve has little influence on the local wind re-sistance of the valve，while adding another valve to the same base will significantly increase local wind resistance(in-creased by more than 75%);and under the same air volume，the local wind resistance of valves increases significantlywith decrease of the number of open valves During designing，it should be ensured that the valve can be reliably resetafter bearing load，so as to avoid adverse effects on the ventilation efficiency of the constructionKeywordsblast valve;ventilation performance;resistance characteristics;wave elimination system防爆波活门是一类应用于防护工程通风口，可有效防御和削减冲击波的防护设备17。通风性能是防爆波活门的关键技术指标，它不但决定着活门后接通风系统的设备选型，还决定着整个系统的运行效率89。活门的通风性能一般通过通风阻力特性评价，即活门进、排状态下风量与局部风阻的关系。在通风系统正常工作的情况下，应保证活门以尽可能小的风阻实现要求的风量;在爆炸冲击波作用后，应确保活门可靠复位并尽快恢复通风状态，保障工程内部设备和人员的风量需求10。套筒式防爆波活门是一种消波性能可靠、结构强度高、关闭速度快的通风口防护设备，为进一步提高该活门的消波率，对活门结构进行优化设计，可采取改变通风孔布置形式或在同一底座上再增加一道活门作为消波措施的方案。上述方案可显著提升套筒式防爆波活门的消波性能，但结构变化一定程度防护工程2023 年上增加了活门局部阻力，能否满足通风系统对通风阻力的要求，须通过通风阻力特性测试进行验证。另一方面，强冲击荷载作用后，部分活门单元可能因“卡死”而无法顺利复位，该情况对活门通风阻力的影响亦需要通过试验进行评估。笔者以套筒式防爆波活门为研究对象，通过开展通风性能试验，研究活门结构和开启活门数量变化对活门通风阻力特性的影响，相关工作可为新型活门的设计和定型提供参考。1试验对象与测试系统1.1试验对象套筒式防爆波活门主要由活门、底座、复位弹簧等部件组成，如图 1 所示。活门四周设有通风孔，平时在复位弹簧的支撑下处于开启状态。进风状态下，外部空气在风机作用下，通过活门上的通风孔进入活门底座的缩孔，再由底座上的通风孔进入工程内部。排风状态的空气传播路径相反。图 1套筒式防爆波活门示意图为了进一步提高套筒式防爆波活门的消波性能，在原有方案基础上进行优化:(1)在同一活门底座上再增加一道消波措施，即在外活门后端增加内活门，用于削减外活门关闭过程中泄入活门底座的冲击波;(2)保持通风孔总面积相同的条件下，将外活门上的单排通风孔调整为双排通风孔(即通风孔数量增加一倍)，降低活门关闭行程，提高活门关闭速度。优化方案如图 2 所示。图 2套筒式防爆波活门结构优化方案示意图由图2 可知，由于对结构进行了调整，通风孔的数量有了明显增加，进而使活门通风时局部流场发生变化，导致局部风阻增大。为评价优化方案的合理性，有必要以图2 所示活门为试验对象，通过试验重新测得其通风阻力特性。为研究开启活门数量变化对通风阻力的影响，在图 2 中的活门底座上设置 9 组活门安装孔位，最多可同时对9 个活门单元进行测试。1.2测试系统通风性能试验采用的测试系统如图 3 所示，测试系统由电机、风机、帆布接头、静压箱、喷嘴箱、直风管(包括:均流段、测量段、安装段)、支撑架及测试仪表等组成。(a)方案图(b)实物图图 3通风性能测试系统采用鼓风方式测定活门的通风阻力特性，鼓风系统的动力源为一台离心式变频风机，其通风量可借助喷嘴箱在5 71210 562 m3/h 范围内准确调节，满足试验风量需求。为保证流场品质符合测试要求，设计了静压箱和长度为 10 m 的均流段。将活门安装在均流段之后，与直风管相连接。由图 2 可知，试验对象为方形断面，因此采用边长为600 mm、壁厚为 5 mm 的方形不锈钢管作为通风管道。该方法既方便活门与管道的直接连接，也避免因使用渐缩(扩)管产生局部阻力，提高了测试准确度。为降低风机工作带来的管道震动，将风机与静压箱用帆布接头联接，如图4 所示。(a)变频风机(b)帆布接头图 4风机减震措施1.3测点位置根据 人民防空工程防护设备试验测试与质量22第 45 卷 第 1 期张晓辰，等:套筒式防爆波活门通风性能试验研究检测标准(FJ 042009)，为保证通风阻力测定位置的气流均匀稳定，提高测试精度，将压力测试位置分别选定在活门后距离大于 5D(D 为风管直径)和活门前距离大于 2D 处的直管段上11。本试验上游测点选择在距离活门之前 1.2 m 处，下游测点选择在距离活门之后 3 m 处。鉴于同一风管断面上的气流速度是不均匀的，为在基本均匀的流场测试气流参数，考虑纵向压力梯度的影响，在方形风管内测量气体平均流速，参考公共建筑节能检测标准(JGJ/T 1772009)中矩形截面测点布置方法12，根据管道边长将截面分成9 个边长 200 mm 的正方形，每个正方形截面中心布置 1 个测量点，上下游截面各 9 个测点，在试验中采用皮托管测量全压和静压，测点如图 5 所示。(a)测点位置示意图(b)上游测量口(c)下游测量口图 5测点分布图(尺寸单位 mm)2试验过程2.1参数计算试验的目的是测得活门通风量 Qn与活门局部风阻 P 的关系，为检验活门在不同风速下的通风性能，设定活门通风截面的平均风速 V 分别为 3、4、512 m/s，其中 8 m/s 为额定风速。设开启的活门单元数量为 n，活门通风截面面积为 S，则需求风量可按照式(1)计算得出:Qn=VSn(1)喷嘴箱中设有直径为30、40、70、110、150、189 mm的 6 个喷嘴，可通过开启不同喷嘴调节所需风量，若采用多个喷嘴测量时，风量为各单个喷嘴测得风量之和。单个喷嘴风量计算公式如下:L=3 600CAn2Pn(2)n=t+B287T(3)式中:C 为喷嘴流量系数，参照工业通风机用标准化风道性能试验(GB/T 12362017)中表 4 取值;An为喷嘴面积;P 为喷嘴前后压差;n为空气密度;t为喷嘴前空气全压;B 为大气压力;T 为喷嘴前空气出口热力学温度。在鼓风状态下，通过调节喷嘴箱准确控制风机风量，使鼓风系统按照需求风量运行，如图 6 所示。图 6风量控制人机交互界面采用微压计，按照图 5 中的测点位置分别测得设备安装段上游和下游的平均全压值 Pck和平均静压值 Pj，计算得出平均动压值 Pd=PckPj，测试过程如图 7 所示。图 7全压与静压测试过程当各测点的动压值相差不大时，其平均动压、平均静压按测定值取算术平均值计算。上下游平均动压的差值即为测量段的阻力损失，活门局部阻力可按照式(4)计算得出:P=Pd H(4)可以看出，为测得活门局部阻力，还需消除测试段管道沿程阻力 H 的影响;对于矩形风管，沿程阻力可按式(5)计算:H=4sV2d2nL(5)式中:为摩擦阻力系数;Vd为风管内空气的平均速度;L 为风道长度;s为风管的水力半径。平均风速按照式(6)计算:Vd=2Pd/n(6)风管的水力半径按照式(7)计算:s=Fs/Ps(7)式中:Fs为风道流体流过的横截面积;Ps为风管周长。摩擦阻力系数按照式(8)计算:1=2logK3.71d+2.51e()(8)式中:K 为风管内表面的当量绝对粗糙度;e 为雷诺数;d 为当量直径。根据上述公式计算出本次试验风管的沿程阻力32防护工程2023 年范围为 0.0010.462 Pa，数值较小，可忽略不计。2.2测试方案本次试验需研究活门数量变化对其阻力特性的影响，对于未使用的底座通风孔作封堵处理，活门数量从 91 变化时，其封堵位置如图 8 所示，图中黑色为封堵状态，白色为安装活门状态。图 8底座封堵位置示意图鉴于采用的试验装置为鼓风系统，为对比活门进风状态和排风状态下的阻力特性，采取分别将测试段活门正向(外活门靠近风机端)和反向安装(外活门远离风机端)的方法，如图 9 所示。(a)进风开启 9 个活门(b)排风开启 4 个活门图 9进、排风状态活门安装图3结果分析3.1单排孔与双排孔方案对比进风和排风状态下，采用 2 道消波措施且外活门分为单、双排通风孔的通风阻力特性曲线如图 10和图 11 所示。由图 10 可知，对于单排孔活门，在进、排风状态下，随着风速提高，通风量逐渐提升，活门局部阻力也相应增加，风量与阻力符合二次曲线特性规律(图中虚线为 2 阶多项式拟合曲线，下同)，在对数坐标上成线性关系。进风状态下开启 9 个活门，即可在 8 m/s 额定风速下实现 2 034.7 m3/h 的通风量，对应的局部阻力为 199.8 Pa;排风状态下开启 9个活门，在 8 m/s 额定风速下实现 2 034.7 m3/h 的通风量，对应的局部阻力为 2 21 Pa。说明额定风速下，排风状态下的活门局部风阻要高于进风状态。(a)进风状态下的通风阻力特性曲线(b)排风状态下的通风阻力特性曲线图 10单排孔方案通风阻力特性曲线(a)进风状态下的通风阻力特性曲线(b)排风状态下的通风阻力特性曲线图 11双排孔方案通风阻力特性曲线由图 11 可知，对于双排孔活门，风量与阻力变化关系与单排孔活门相同，同样符合二次曲线特性规律。进风状态下开启 9 个活门，即可在 8 m/s 额定风速下实现 2 034.7 m3/h 的通风量，对应的局部42第 45 卷 第 1 期张晓辰，等:套筒式防爆波活门通风性能试验研究阻力为 201.9 Pa;排风状态下开启 9 个活门，在8 m/s额定风速下实现 2 034.7 m3/h 的通风量，对应的局部阻力为 219.7 Pa。说明额定风速下，排风状态下的活门局部风阻要高于进风状态。综合图 10、11 可知，额定风速进风状态下，单排孔活门的局部风阻略低于双排孔活门风阻;额定风速排风状态下，单排孔活门的局部风阻略高于双排孔活门风阻。在同一需求风量下，随着开启活门数量的减少，活门局部风阻大幅增加。说明在对套筒式防爆波活门进行设计时，应确保活门在平时通风状态下能够开启到位，同时尽可能保证爆炸冲击波作用后可顺利复位的活门单元数量，避免因局部风阻过大、通风系统过载导致风量无法满足工程需求。3.2两道活门与一道活门方案对比进风状态，不安装内活门，仅安装单排孔外活门和双排孔外活门的通风阻力特性曲线分别如图 12、13 所示。图 12仅安装单排孔外活门，进风状态下的活门通风阻力特性曲线图 13仅安装双排孔外活门，进风状态下的活门通风阻力特性曲线由图 12、13 可知，仅安装外活门时，活门通风量与局部风阻同样符合二次曲线特性规律。进风状态下开启 9 个活门，实现 2 034.7 m3/h 的额定通风量，单排孔活门对应的局部阻力为 112.7 Pa，双排孔活门对应的局部阻力为 112.9 Pa，即 2 种外活门对应的局部风阻基本相等，改变外活门通风孔数量对活门局部风阻影响较小。对比图 10、11 可知，相同条件下，采用单排孔和双排孔外活门，安装内活门与不安装内活门相比，局部风阻分别提升了 77.3%和 78.8%，即增加一道消波措施对活门的局部风阻影响较大，在对通风系统设计时应根据风机荷载综合考虑。4结论(1)随着通风量增升，套筒式防爆波活门的局部通风阻力逐渐增加，风量与阻力符合二次曲线特性规律，在对数坐标上成线性关系。(2)活门结构变化将一定程度影响活门局部风阻，对于套筒式防爆波活门，相同条件下，将外活门通风孔数量增加一倍对局部风阻影响较小;在同一底座上再增加一道活门将显著增加活门局部风阻，提升幅度超过 75%。(3)在相同风量下，随着开启活门数量的减少，活门局部风阻显著提升，说明在设计活门时应确保其强度满足抗力要求，同时提高活门复位机构的可靠性，避免因发生较大塑性变形或复位机构失效导致活门“卡死”，影响工程的通风效率。参考文献 1 党爱国，李晓军俄罗斯国家防御指挥中心建设经验与启示 J 防护工程，2022，44(1):7478 2 李麟，党爱国，陶西贵信息化战争条件下指挥防护工程建设若干问题的思考 J 防护工程，2019，41(4):6165 3 谭克明，李麟，张国海“国防工程”定义探析J 防护工程，2019，41(6):7578 4 张晓辰，黄静华，王迎春等蜂窝结构复合材料防护设备抗力性能数值模拟与试验研究J 防护工程，2019，41(2):2430 5 孙晓明，樊玉光，李军强高抗力防爆波活门结构与强度研究方法 J 科技创新导报，2008(35):3133 6 张晓辰，黄静华，胡利，等超高性能钢纤维增强混凝土防护设备设计与仿真研究 J 防护工程，2020，42(4):5661 7 张晓辰，黄静华，王月桂，等模块化 SMC 复合材料防护设备设计与试验研究 J 防护工程，2019，41(4):4450 8 韩旭，程涛，卢铁江，等悬板式防爆波活门通风性能测试台的模拟与优化 J 防护工程，2011，33(4):1115 9 韩旭，程涛，李永悬板式防爆波活门关闭风量机理 J 解放军理工大学学报:自然科学版，2012，13(6):707710 10 张晓辰，郭利平，黄静华，等悬摆式防爆波活门悬板轻量化设计与数值仿真计算J 防护工程，2019，41(3):1419 11 总参工程兵第四设计研究院人民防空工程防护设备试验测试与质量检测标准(附条文说明):FJ 042009 S 北京:中国计划出版社，2009 12 中国建筑科学研究院公共建筑节能检测标准:JGJ/T1772009 S 北京:中国建筑工业出版社，200952