直流式消防水炮噴嘴內流動特性的數值研究

童丕榮

摘 要：采用標準湍流模型，用Fluent軟件模擬研究了直流式消防水炮噴嘴內流場的速度和壓力分布規律的影響。研究結果表明：直流式消防水炮噴嘴在臨近出口處存在較大的壓力梯度和速度梯度，在出口后形成較大的卷吸角，影響射流長度，收縮角在13°～40°內，隨著收縮角的增大，流量系數逐漸減小。

關鍵詞：數值模擬 直流式消防水炮 噴嘴 射流

中圖分類號：TU998.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0091-02

直流式消防水炮具有大流量、遠射程的優點且噴嘴造型簡單，加工比較容易，被廣泛裝備使用[1]。噴嘴是消防水炮最重要的結構之一，噴嘴內部的流動狀態對射流的穩定性、速度的均勻性、方向性和軸向靜壓梯度等產生重要影響，進而影響射流的射程。

隨著對消防水炮性能的要求越來越高，人們為此展開了廣泛的研究。KA Salam等[2]研究了消防炮的水力特性，分析了噴嘴出口邊界與內部流動狀態以及結構、流量參數和射流射程的關系并得出了消防炮射流射程的理論表達。Christopher等[3]分析了水炮噴嘴流動邊界層厚度對水炮射流性能的影響，推導出了描述水炮射流起始段核心流域長度的表達式并通過實驗對結果進行了驗證。Grahame等[4]研究了炮身幾何形狀對消防炮性能的影響，發現炮身軸線與主管道彎管的軸線在同一豎直面內時，可有效減少后座產生的力矩，防止水炮出現自旋轉。

1 物理模型

消防水炮噴嘴的主要結構包括：主管道直徑D，出口直徑d，收縮角α，收縮段長度L。設計參數依照PS50型消防水炮：工作壓力1.0 MPa，額定流量50 L/s，主管道D=80 mm，噴嘴出口d=38 mm[5]。收縮段長度L由α確定，α取值為13°～40°，分別建立不同的收縮角噴嘴模型（圖1）。

2 數學模型

采用ICEM軟件創建三維模型并劃分結構化網格， Fluent模擬邊界條件設置為：進口條件采用壓力進口，為1 MPa，出口采用壓力出口，設置為大氣壓力，壁面選擇無滑移壁面條件。計算采用分離隱式求解器，壓力場和速度場的耦合采用SIMPLE算法，迭代的壓力、動量和湍流度均采用二階迎風格式，各變量的收斂殘差設置為10-4。

3 計算結果分析

圖2和圖3分別為噴嘴數值模擬的靜壓云圖和速度云圖，由圖2可以看出，入口段壓力降低比較平緩，越接近出口壓力梯度越大，到出口截面壓力降低很劇烈，過大的壓力梯度不利于保持流動的穩定性；圖3速度云圖可以看出，出口附近速度梯度很大，導致形成很大的卷吸角，不利于射流的集中。從而可以得出，直流式消防水炮噴嘴在臨近出口處存在較大的壓力梯度和速度梯度，不利于保持射流的穩定性。

圖4為不用收縮角的流量系數，從圖中可以看出，當收縮角為13°時流量系數最大為0.95，隨著收縮角的增大，流量系數逐漸減小，因此為了保證直立式消防水炮的射流流量，收縮角應盡量選擇13°。

4 結語

該文用數值模擬實驗的方法研究了直流消防水炮噴嘴內流場的速度和壓力分布規律的影響，主要研究結論如下。

（1）直流式消防水炮噴嘴在臨近出口處存在較大的壓力梯度和速度梯度，在出口后形成較大的卷吸角，影響射流長度。

（2）收縮角在13°～40°內，收縮角為13°時流量系數最大0.95，隨著收縮角的增大，流量系數逐漸減小。

參考文獻

[1] 施哲夫.遠射程消防水炮噴嘴設計及內部流道優化[D].江蘇大學，2016.

[2] KA Sallam，Z Dai，GM Faith.Liquid breakup at the surface of turbulent round liquid jets in Still Gases[J].International Journal of Multiphase Flow，2002，28（3）：427-449.

[3] Christopher Ornokhowa Logan.Trajectory of liquid jets exposed to a low subsonic cross airflow[D].University of Manitoba，2006.

[4] GRAHAM E，MEHRPOUYA M，PARK S S.Robust Prediction of Chatter Stability In milling Based on the Analytical chatter stability[J].Journal of Manufacturing Processes，2013，15（4）：508-517.

[5] GB 19156—2003，消防炮通用技術條件[S].

[6] Patankar SV.Numerical heat transfer and fluid flow[M].New York：Mc-Graw-Hill，1980.