基于CFD技術(shù)的改進(jìn)型執(zhí)法水炮流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汪震，林杰，汪睿

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；2.泰豪科技股份有限公司，南昌 330096；3.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

目前公務(wù)船使用的常規(guī)執(zhí)法水炮本質(zhì)上仍是消防水炮，射出的水柱容易受到風(fēng)向的影響，易發(fā)散，導(dǎo)致水炮有效射程短和水柱末端打擊力不足，不能對(duì)遠(yuǎn)距高危險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行有效打擊。為了提高水炮打擊力，必須提高水炮的流量和射程，即提高水泵流量和揚(yáng)程。然而，受水泵技術(shù)水平、管路，以及附件的耐壓等級(jí)和船舶總體資源等因素限制，這種方法提升水炮殺傷力有限。根據(jù)海警船等公務(wù)船的維權(quán)執(zhí)法需求，針對(duì)常規(guī)水炮有效射程短和打擊力不足的缺點(diǎn)，提出改進(jìn)型執(zhí)法水炮，增加冰球打擊功能，即向水炮管路中加入冰球。為了實(shí)現(xiàn)水柱和冰球的兼容發(fā)射，考慮在常規(guī)執(zhí)法水炮的基礎(chǔ)上進(jìn)行流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)改進(jìn)整流器結(jié)構(gòu)和冰球輸送管路插入位置，并利用FLUENT軟件對(duì)改進(jìn)后的水炮內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 執(zhí)法水炮流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 常規(guī)執(zhí)法水炮

常規(guī)水炮流道結(jié)構(gòu)如圖1所示，水泵輸送高壓水進(jìn)入水炮主管路中，途徑轉(zhuǎn)向彎管后從錐形炮管噴出，形成高壓水柱，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可驅(qū)動(dòng)水炮進(jìn)行俯仰和水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。炮管內(nèi)部設(shè)置了格柵型整流器，用于改善炮管內(nèi)部的流場(chǎng)均勻性，降低水的紊流程度。在相同的流量和出口速度下，炮管內(nèi)部流場(chǎng)越均勻，水流動(dòng)方向越一致，水炮噴射出的水柱越集中，成束性越好、越不容易發(fā)散，水炮的射程越遠(yuǎn)，水柱末端打擊力越強(qiáng)。因此，在水炮內(nèi)部設(shè)置整流器，用于改善水炮內(nèi)部流動(dòng)均勻性。

圖1 常規(guī)水炮流道結(jié)構(gòu)示意

1.2 改進(jìn)型執(zhí)法水炮

由于整流器的存在阻擋了冰球通過，因此需要合理設(shè)計(jì)冰球輸送管插入的位置和整流器結(jié)構(gòu)。提出兩種改進(jìn)型執(zhí)法水炮流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，見圖2。

圖2 改進(jìn)型執(zhí)法水炮流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案示意

方案A，冰球輸送管插入點(diǎn)設(shè)置在整流器后端，冰球輸送管外部軸線與炮管軸線夾角為45°,內(nèi)部管路與炮管同軸，冰球通過冰球輸送管進(jìn)入炮管內(nèi)，和高壓水一起噴射出去。

方案B，中冰球插入點(diǎn)設(shè)置在水炮主管路，冰球輸送管外部軸線與水炮主管路軸線夾角為45°，內(nèi)部管路與水炮主管路同軸；取消格柵形整流器，設(shè)置彈尾形整流器和冰球捕捉器。冰球捕捉器主要由中心管、8根刀型整流片和固定法蘭組成，刀型整流片按周向均勻固定在中心管和法蘭之間，整體安裝在炮管內(nèi)部；彈尾形整流器由中心導(dǎo)向管和4根矩形整流片組成，4根矩形整流片按周向均勻固定在中心導(dǎo)向管上，并與冰球捕捉器的刀型整流片對(duì)齊，中心導(dǎo)向管與冰球捕捉器的中心管前端的嵌套連接。冰球捕捉器具有整流和捕捉冰球的雙重作用，冰球被冰球捕捉器導(dǎo)入彈尾形整流器的中心導(dǎo)向管內(nèi)，高壓水流主要從中心導(dǎo)向管外部空間通過，并推動(dòng)冰球向前運(yùn)動(dòng)，最后冰球與高壓水一起從錐形炮口噴出。

2 仿真模型設(shè)置

2.1 控制方程

水炮流道的流場(chǎng)計(jì)算包括對(duì)3個(gè)控制方程進(jìn)行求解：連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。由于水炮內(nèi)部流速較快、在炮體內(nèi)停留時(shí)間短，所以將水炮內(nèi)部流動(dòng)視為絕熱流動(dòng)，不考慮水與外部環(huán)境的能量交換。由于水炮內(nèi)部流體介質(zhì)只有一種(水)，所以不考慮物料平衡方程，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，總結(jié)出連續(xù)性方程如下。

(1)

式中:為流體介質(zhì)的密度，為流體介質(zhì)的三維速度矢量，()是質(zhì)量源項(xiàng)。由于進(jìn)行的是穩(wěn)態(tài)流體分析，且流體介質(zhì)在水炮流道內(nèi)部的流動(dòng)沒有質(zhì)量源項(xiàng)，所以連續(xù)性方程可簡(jiǎn)化為

(2)

水炮內(nèi)部流體介質(zhì)的動(dòng)量方程為

(3)

式中:、(1,2,3)指不同的坐標(biāo)方向，表示方向上的速度分量；為流體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度，右邊第二項(xiàng)為表面力(切應(yīng)力);為方向上的體積力(重力)分量。

由于水炮內(nèi)部流體受重力影響較小，可忽略重力作用，同時(shí)忽略非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)，于是將式(3)簡(jiǎn)化為

(4)

根據(jù)能量守恒定律，得到閥門內(nèi)部流體的能量方程。

(5)

式中：等號(hào)左端第一項(xiàng)為單位質(zhì)量流體的儲(chǔ)能變化率；右端各項(xiàng)依次為質(zhì)量力(重力)所做功、表面力所做功、傳導(dǎo)熱和熱源項(xiàng)。

由于閥門內(nèi)無熱源項(xiàng)，同時(shí)忽略重力和非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)，于是將式(5)簡(jiǎn)化為

(6)

聯(lián)立式(2)、(4)和(6)，對(duì)水炮流道內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析求解。

以某公務(wù)船搭載的常規(guī)執(zhí)法水炮為例，水炮流量為160 m/h，水炮主管路通徑為DN100，錐形炮管出口通徑為DN40，初步核算水炮內(nèi)部平均流速為5.66～35.37 m/s。計(jì)算水炮主管路內(nèi)流體的雷諾數(shù)=560 396，說明水炮流道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，利用CFD軟件進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)需選用合適的湍流模型。

2.2 湍流模型

FLUENT軟件提供的湍流模型包括零方程模型、標(biāo)準(zhǔn)-模型、RNG-模型、標(biāo)準(zhǔn)-模型及雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬模型。水炮流道流場(chǎng)分析中使用的是標(biāo)準(zhǔn)-模型。

為了對(duì)湍流流體進(jìn)行分析，引入雷諾平均法，將流體變量分解為平均值和脈動(dòng)值，以流體速度為例，如下所示。

(7)

標(biāo)準(zhǔn)-模型是最簡(jiǎn)單的完成兩方程湍流模型，也是目前應(yīng)用最廣泛的湍流模型，需要求解湍流動(dòng)能和湍流耗散率的方程，即

+--+

(8)

(9)

(10)

式中：為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng);為由于浮力引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；為可壓縮湍流中脈動(dòng)膨脹的貢獻(xiàn)；為湍流粘性系數(shù);1、2、3和為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，和分別為與湍動(dòng)能和耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，和為自定義源項(xiàng)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)常數(shù)和普朗特?cái)?shù)的取值為：1=144，2=192，=009，=10，=13。對(duì)于不可壓縮流體，3=0，=0，=0。

2.3 網(wǎng)格模型

利用ANSYS Workbench對(duì)兩種改進(jìn)型執(zhí)法水炮流道(流體域)進(jìn)行實(shí)體建模，見圖3。

圖3 水炮流道網(wǎng)格模型

2.4 計(jì)算域與邊界條件設(shè)置

計(jì)算域中的流體介質(zhì)為水，視為不可壓縮流體，物性參數(shù)來自FLUENT自帶的物性數(shù)據(jù)庫(kù)，定常、定壓，環(huán)境溫度為室溫。使用標(biāo)準(zhǔn)-模型，湍流普朗特?cái)?shù)設(shè)置為0.9，不考慮熱輻射。

流體域邊界除入口和出口外均設(shè)置為光滑壁面，滿足壁面無滑移條件，與外界無熱交換(絕熱)。

設(shè)定邊界條件。水炮管路入口：Inlet，流量160 m/h，靜壓0.8 MPa(表壓)；冰球輸送管路入口：Inlet，流量20 m/h，靜壓1.1 MPa(表壓)；水炮出口：Outlet，背壓為大氣壓。

3 仿真結(jié)果分析

改進(jìn)型執(zhí)法水炮具有兩種打擊模式：水柱打擊和冰球打擊，即水炮內(nèi)部流體不含冰球和含冰球的兩種情況。

3.1 水柱打擊模式

3.1.1 壓力分布

水炮內(nèi)部壓力分布情況見圖4。壓力最大值均位于水炮主管路中，壓力最低點(diǎn)位于炮管出口附壁處。結(jié)果表明，由于冰球輸送管路的存在，方案A中炮管截面的壓力分布均勻性較差，易造成流體擾動(dòng)。

圖4 錐形炮管中平面壓力分布

3.1.2 水炮內(nèi)部速度分布情況

最高速度均位于炮口處，且峰值速度差不多(方案A：41.6 m/s，方案B：41.5 m/s)，但方案B中的流線速度方向更一致、速度分布更均勻。方案A的流動(dòng)損失較小，但由于冰球輸送管路的插入增加了流場(chǎng)的不均勻性，水炮射出口更容易發(fā)散，降低有效射程。見圖5。

圖5 錐形炮管中平面速度分布

3.1.3 湍動(dòng)能分布

湍動(dòng)能在一定意義上表征了流體湍流的混亂程度，湍動(dòng)能越大，流體能量耗散越大。水炮內(nèi)部湍動(dòng)能分布情況見圖6，兩種方案中錐形炮管內(nèi)湍動(dòng)能峰值均位于入口處，但是方案B中錐形炮管出口處湍動(dòng)能數(shù)值更低且分布更均勻，這說明方案B出口流體能量更集中，炮管出口水柱成束性更好。

圖6 錐形炮管截面湍動(dòng)能分布

3.2 冰球打擊模式

在水炮內(nèi)部區(qū)域創(chuàng)建冰球區(qū)域，冰球直徑為DN36，冰球外表面設(shè)置為WALL屬性，仿真計(jì)算結(jié)果分析如下。

3.2.1 壓力分布

水炮內(nèi)部壓力分布情況見圖7。壓力最低點(diǎn)位于炮管出口附壁處，壓力最高點(diǎn)出現(xiàn)位置不同，方案A中壓力最高點(diǎn)位于炮管入口處，方案B中壓力最高點(diǎn)位于彈尾形整流器的中心流道中。對(duì)比錐形炮管內(nèi)的整體壓力分布情況，方案B中壓力分布更均勻，流體受到的擾動(dòng)較小。

圖7 錐形炮管內(nèi)部壓力分布(含冰球)

3.2.2 速度分布

水炮內(nèi)部流線和速度分布情況見圖8。

圖8 錐形炮管截面速度分布(含冰球)

最高速度均位于炮口處，方案A的峰值速度

較高(方案A：42.0 m/s，方案B：41.2 m/s)，說明方案A流道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水頭損失較低，但方案B中的流線速度方向更一致、速度分布更均勻。由于冰球的存在，增加了炮管內(nèi)部流體的擾動(dòng)，但方案B中冰球被限制在彈尾形整流器的中心流道中，對(duì)中心管外部的流體影響較小，流體流動(dòng)方向一致性更強(qiáng)，冰球射出炮口后不易偏移軌跡。彈尾形整流器的中心流道中，冰球后部的流體速度較低，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為冰球的動(dòng)能。

3.2.3 冰球受力情況

按照設(shè)計(jì)預(yù)想，冰球和高壓水一起從炮口噴出，冰球運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力主要來源于高壓水的推力。水炮受力情況見圖9。可以看出，方案B中冰球表面壓力分布更均勻，且受力方向更集中于軸線方向，其合力值也較大(146.73 N>20.04 N)。這表明，方案B中的冰球獲得的推力更大，冰球的射程也更遠(yuǎn)、運(yùn)動(dòng)方向更集中。

圖9 冰球表面壓力分布

3.3 方案對(duì)比

對(duì)比兩種水炮流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在兩種打擊模式下的流場(chǎng)仿真分析結(jié)果，可以推斷出：兩種方案的水流峰值速度相差不大，但非對(duì)稱性的流道結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了速度和壓力分布的不均勻性，湍流程度更高，進(jìn)而導(dǎo)致水炮發(fā)射的高壓水柱成束性較差、易發(fā)散，影響水炮的有效射程和末端水柱打擊力。加入冰球后，進(jìn)一步加劇了方案A流道中流場(chǎng)的不均勻性，而方案B得益于特殊的整流器結(jié)構(gòu)，流場(chǎng)均勻性受影響較小，且冰球受力更大、受力方向更集中于軸線方向，冰球射出炮口后方向不易偏離軸線，飛行距離更遠(yuǎn)。綜上所述，方案B表現(xiàn)出的水炮性能優(yōu)于方案A。

4 結(jié)論

1)相較于常規(guī)執(zhí)法水炮，改進(jìn)型執(zhí)法水炮可增加冰球打擊功能，提升水炮打擊力。

2)兩種流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案均可實(shí)現(xiàn)發(fā)射冰球功能，二者的內(nèi)部流體峰值流速相近，但方案B在兩種打擊模式下的水炮內(nèi)部流場(chǎng)均勻性更好，水柱成束性更好。

3)冰球打擊模式下，方案B中的冰球整體受力更大、受力方向更集中于軸線方向，進(jìn)而表現(xiàn)出更好的水炮性能。

4)選擇方案B作為改進(jìn)型執(zhí)法水炮流道結(jié)構(gòu)的最終設(shè)計(jì)方案。