兩種不同結(jié)構(gòu)的消防炮性能對(duì)比分析*

劉平安，廖小東，王 銓

(華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330013)

兩種不同結(jié)構(gòu)的消防炮性能對(duì)比分析*

劉平安，廖小東，王 銓

(華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330013)

在相同參數(shù)條件下，分別對(duì)串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮流道引起的壓降及噴嘴出口速度進(jìn)行分析計(jì)算，并用FLUENT和Simulink對(duì)這兩種不同結(jié)構(gòu)消防炮的壓力場(chǎng)和射流軌跡進(jìn)行仿真分析。在不同流量下，分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)消防炮的壓降和射程進(jìn)行對(duì)比研究。通過綜合比較得到并聯(lián)結(jié)構(gòu)比串聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮在降低壓降、提高消防炮射程等方面具有優(yōu)越的性能，為設(shè)計(jì)開發(fā)大流量、遠(yuǎn)射程、高能效的并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮提供理論依據(jù)。

并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮;射流軌跡;流場(chǎng)仿真

1 引言

隨著高層、超高層建筑日益增多，對(duì)消防炮的射程要求也越來越高［1］。傳統(tǒng)消防炮由于利用蝸輪蝸桿改變噴射方向，采用如圖1所示的串聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水平和俯仰回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使消防流道呈現(xiàn)多個(gè)直角彎曲，由此使得流道內(nèi)水流湍流程度增加造成壓降和能量損失增加從而降低水炮射程，直接影響滅火性能。

圖1 串聯(lián)結(jié)構(gòu)消防水炮

為提高消防炮的性能，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了相關(guān)的研究，如對(duì)三維湍流數(shù)值模擬和內(nèi)部結(jié)構(gòu)流場(chǎng)分析等［2］。但對(duì)消防炮彎曲流道結(jié)構(gòu)還未有改進(jìn)，因而對(duì)于提高消防炮工作性能作用依然十分有限。通過機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的方式，使用直管流道代替彎管流道成為可能，如圖2所示。以此減少水炮壓力損失，降低水炮內(nèi)的湍流程度，提高消防水炮的射程，對(duì)遠(yuǎn)射程消防炮的開發(fā)設(shè)計(jì)有著重要意義。

圖2 并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防水炮

2 串與并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮流道沿程壓降的計(jì)算

消防水炮在確定了流量和初始?jí)毫Φ那闆r下，流道沿程壓降越小，則出口處獲得壓力越大。噴嘴直徑確定時(shí)，射程隨著壓力的提高而增大。壓降大反應(yīng)了壓力的波動(dòng)大，說明水流的不穩(wěn)定，造成動(dòng)量和能量的損失，降低消防水炮的射流性能。

2.1 并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮直管流道沿程壓降計(jì)算

根據(jù)流量守恒定律計(jì)算消防炮進(jìn)口速度:

式中:A為流道截面，A=πd2/4(m2);v為水炮進(jìn)口速度，m/s;q為水炮流量，m3/s。

根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算公式:

式中:ω為水的運(yùn)動(dòng)粘度1.003×10－6m2/s;d為流道內(nèi)徑，m。由式(1)、(2)可計(jì)算水炮入口水流雷諾數(shù)大小，根據(jù)臨界雷諾數(shù)Rek的大小可判斷水流處于層流或是紊流狀態(tài)。

由壓強(qiáng)變化公式:

式中:ρ為流體密度，kg/m3;ξc為直管流道綜合阻力系數(shù):

式中:l1為并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮直管流道長(zhǎng)度，m。直管流道中的沿程阻力系數(shù)λ可查莫迪斯圖［3］并利用線性插補(bǔ)法計(jì)算。

2.2 串聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮彎管流道沿程壓降計(jì)算

用ξc'代替式(3)中ξcc得彎管流道壓強(qiáng)Δp2，其中:式中:l2為彎管流道中直的部分總長(zhǎng)度，m;ξi為局部水頭損失阻力系數(shù)，ξi經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為:

式中:R為彎管軸心的曲率半徑，m;θ為彎管方向變化角，(°)。

3 實(shí)例計(jì)算及FLUENT流道壓力變化仿真

3.1 串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮流道壓降實(shí)例計(jì)算

采用文獻(xiàn)［4］中介紹的傳統(tǒng)固定式消防炮實(shí)例。相關(guān)參數(shù)如下:流量:q=0.1 m3/s;射程:L≥85 m;水炮內(nèi)徑d=0.104 m;曲率半徑R=0.1 m;額定工作壓力P=1 MPa;彎管流道總長(zhǎng)度l1=1.773 m;噴嘴截面積A1=0.003 075 m2;彎管流道中直的部分長(zhǎng)度l2= 1.145 m。

在流量、內(nèi)徑、額定壓力、流道總長(zhǎng)和噴嘴截面積相同條件下，分別對(duì)串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮的流道沿程壓降進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)前面的計(jì)算公式和相關(guān)數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果如下:

3.2 串與并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮流道壓力場(chǎng)仿真

3.2.1 流道建模

為了驗(yàn)證前面理論計(jì)算結(jié)果的正確性并分析兩種不同結(jié)構(gòu)消防炮流道內(nèi)的壓力變化，現(xiàn)利用FLUENT流體仿真軟件對(duì)流道進(jìn)行仿真分析。

創(chuàng)建三維模型。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，由于流道內(nèi)壁附近阻力較大，所以先利用gambit軟件對(duì)流道劃分邊界層。通過計(jì)算判斷水流為湍流狀態(tài)，采用k－ε模型，用二階迎風(fēng)格式計(jì)算［5］。采用壓力入口和壓力出口邊界條件，流體為水，初始化入口表壓1 MPa，將入口初速度11.778 m/s轉(zhuǎn)換為動(dòng)壓計(jì)入總壓進(jìn)行設(shè)置。

3.2.2 流道內(nèi)壓力變化仿真對(duì)比分析

經(jīng)過FLUENT的迭代計(jì)算，殘差收斂，得到串聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮彎管流道的壓力變化云圖，如圖3所示

流道進(jìn)出口總壓結(jié)果顯示如下:

總壓包括靜壓和動(dòng)壓，最終壓力損失為進(jìn)口總壓減去出口總壓，得到壓力損失為0.106 900 MPa。并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮直管流道的壓力變化云圖如圖4所示。

圖3 串聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮流道壓力云圖

圖4 并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮流道 壓力云圖

流道進(jìn)出口總壓結(jié)果顯示如下:

通過計(jì)算可知并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮流道壓力損失為0.020 808 MPa。

比較圖3和圖4，串聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮流道內(nèi)部壓力變化較大，特別是彎道處是導(dǎo)致壓力損失和渦流產(chǎn)生的主要原因。由于流體作用，彎道的內(nèi)側(cè)存在較大的負(fù)壓，相反外側(cè)為較大的正壓，這種內(nèi)外受壓分布不均將影響管道的使用壽命。相比并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮，直管流道內(nèi)部壓力變化較小且無局部突變，從水流的入口處到出口處壓力逐漸減小，使得內(nèi)部引起的紊流較小，流場(chǎng)穩(wěn)定性更好，流體射流到空氣中后不容易發(fā)散，有利于提高消防水炮的射流性能。理論公式計(jì)算的壓力損失與仿真得到的壓力損失比較，兩者相差較小，驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果的正確性，表1所列為計(jì)算仿真數(shù)據(jù)。

表1 理論計(jì)算與仿真數(shù)據(jù)

3.3 串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮射程仿真

3.3.1 串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮射流速度的計(jì)算

假設(shè)不考慮水流經(jīng)噴嘴的能量損失，根據(jù)伯努利方程:

式中:α1、α2為修正系數(shù)，取1;Pin為入口壓強(qiáng)，相對(duì)大氣壓強(qiáng)為1 MPa;Pout為大氣壓強(qiáng)，相對(duì)于自身為0 MPa;射流出口在同一水平面內(nèi)，所以z1、z2都等于零，將壓力損失轉(zhuǎn)換成水頭損失hw計(jì)算，1 MPa相當(dāng)于100 m。出口速度使用兩者平均壓降損失計(jì)算。將數(shù)據(jù)代入式(7)得:

vout1=45.81 m/s，vout2=43.96 m/s

3.3.2 串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮射流軌跡仿真

消防炮射程受到進(jìn)口壓力、流量、俯仰角、流道結(jié)構(gòu)和風(fēng)速等的影響。當(dāng)水射流到空氣后，在俯仰角和外界環(huán)境相同的情況下，水射流的出口速度決定著消防炮的射程。水炮仰角為30°，利用Simulink得到串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮的射流軌跡［6］，如圖5所示。

圖5 串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮射流軌跡圖

通過表2可知，并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮比串聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮在垂直和水平射程均有一定的提高。對(duì)于大流量大射程的消防炮，隨著壓力和流量的增加，并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮的優(yōu)越性將更加明顯。

表2 消防炮水平與垂直射程 /m

4 不同流量下串與并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮性能分析

為了比較在不同流量條件下串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮性能的差異，根據(jù)《消防炮通用技術(shù)條件》中的消防炮性能參數(shù)設(shè)置對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的消防炮性能進(jìn)行研究［7］。結(jié)果如表3所示。并根據(jù)不同流量串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮對(duì)應(yīng)的射程作圖，如圖6所示。

表3 不同流量串與并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮性能表

圖6 不同流量串與并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮對(duì)應(yīng)射程

分析表3和圖6可知:在不同流量的條件下，串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮隨著流量的增加壓力損失增大，并都呈一定的線性關(guān)系增加。流量較小時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)水炮的射程相差不大，隨著流量的增加，水炮射程增加。但并聯(lián)結(jié)構(gòu)水炮的射程增加的幅度比串聯(lián)結(jié)構(gòu)水炮要大，證明了在設(shè)計(jì)大流量大射程消防炮時(shí)并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮的優(yōu)越性。

5 結(jié)語

通過對(duì)串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮流道壓降進(jìn)行對(duì)比分析，運(yùn)用Fluent和Simulink分別對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)消防炮壓力場(chǎng)和射流軌跡進(jìn)行仿真分析可知:

(1)在參數(shù)相同的條件下，并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮比串聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮流道壓力損失要小，并隨著流量的增加串聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮比并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮流道損失的壓力越大。

(2)對(duì)于串聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮，流體在流經(jīng)流道的彎道時(shí)出現(xiàn)壓力突變，內(nèi)外側(cè)受壓分布不均勻，影響管道的使用壽命。與并聯(lián)結(jié)構(gòu)水炮相比，串聯(lián)結(jié)構(gòu)水炮的彎道將增加流體的湍流強(qiáng)度，影響水炮的射流穩(wěn)定性和集中性，從而降低了水炮的射流性能。

(3)由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)水炮流道壓力損失大，使得在相同流量條件下，串聯(lián)結(jié)構(gòu)比并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮的射程要小，隨著流量的增加，并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮射程增加的幅度越大。

(4)從控制角度分析，每個(gè)運(yùn)動(dòng)采用單獨(dú)控制的并聯(lián)結(jié)構(gòu)比運(yùn)用渦輪蝸桿控制的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的消防炮更加靈活，減小反應(yīng)時(shí)間，提高滅火效率。

綜上所述，并聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮采用直管流道，傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)消防炮采用彎管流道，前者比后者更能夠有效的提高消防水炮的工作性能，為設(shè)計(jì)大揚(yáng)程、高效率、大流量的消防水炮提供了新的思路。

［1］ 俞毓敏.大射程水炮設(shè)計(jì)及研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2011.

［2］ 劉德民，劉小兵，王 靖，等.WSTSKP數(shù)控消防炮的結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)分析［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2007，26(4):430－432.

［3］ 林建忠，阮曉東，陳邦國(guó).流體力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［4］ 陳偉剛.固定式消防水炮結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及其水力學(xué)性能研究［D］:南昌:華東交通大學(xué)，2010.

［5］ 魏亞飛，楊曉京，謝 軍.一種新型微泡發(fā)生器的流場(chǎng)仿真研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2008，21(5):17－18.

［6］ 孫 健.消防炮射流軌跡的研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［7］ 消防炮通用技術(shù)條件［S］.GB 19156－2003，2003.

The Performance Comparative Study on Two Different Structure of Fire Monitor

LIU Ping－an，LIAO Xiao－dong，WANG Quan
(School of Mechatronics Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangχi 330013，China)

The pressure drop and outlet flow velocity of series and parallel structure fire monitor are calculated and compared under the condition of same performance parameters.Pressure field is simulated by using FLUENT and jet trajectory is simulated by using Simulink.Finally，the two structure fire monitor's pressure drop and jet trajectory are studied and compared under the condition of different flow.Through comprehensive comparison，parallel structure fire monitor is more superior performance than series structure fire monitor in terms of reducing energy consumption and increasing the firing range，which provides theoretical basis for designing and developing large flow，long－range，energy－efficient parallel structure fire monitor.

parallel structure fire monitor;jet trajectory;flow field simulation

TV131

A

1007－4414(2013)05－0016－03

2013－08－23

江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目:基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的消防炮設(shè)計(jì)與開發(fā)(編號(hào):20122BBE500041)。

劉平安(1962－)，男，江西萍鄉(xiāng)人，教授，博士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)研究方面的工作。