直流式消防水炮噴嘴內(nèi)流動特性的數(shù)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(nèi)流場的速度和壓力分布規(guī)律的影響。研究結(jié)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(nèi)，隨著收縮角的增大，流量系數(shù)逐漸減小。

關(guān)鍵詞：數(shù)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(yōu)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(jié)構(gòu)之一，噴嘴內(nèi)部的流動狀態(tài)對射流的穩(wěn)定性、速度的均勻性、方向性和軸向靜壓梯度等產(chǎn)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?yōu)榇苏归_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(nèi)部流動狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)、流量參數(shù)和射流射程的關(guān)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(dǎo)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(jié)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(fā)現(xiàn)炮身軸線與主管道彎管的軸線在同一豎直面內(nèi)時，可有效減少后座產(chǎn)生的力矩，防止水炮出現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)。

1 物理模型

消防水炮噴嘴的主要結(jié)構(gòu)包括：主管道直徑D，出口直徑d，收縮角α，收縮段長度L。設(shè)計參數(shù)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(shù)學(xué)模型

采用ICEM軟件創(chuàng)建三維模型并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格， Fluent模擬邊界條件設(shè)置為：進口條件采用壓力進口，為1 MPa，出口采用壓力出口，設(shè)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(fēng)格式，各變量的收斂殘差設(shè)置為10-4。

3 計算結(jié)果分析

圖2和圖3分別為噴嘴數(shù)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(wěn)定性；圖3速度云圖可以看出，出口附近速度梯度很大，導(dǎo)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(wěn)定性。

圖4為不用收縮角的流量系數(shù)，從圖中可以看出，當收縮角為13°時流量系數(shù)最大為0.95，隨著收縮角的增大，流量系數(shù)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(yīng)盡量選擇13°。

4 結(jié)語

該文用數(shù)值模擬實驗的方法研究了直流消防水炮噴嘴內(nèi)流場的速度和壓力分布規(guī)律的影響，主要研究結(jié)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(nèi)，收縮角為13°時流量系數(shù)最大0.95，隨著收縮角的增大，流量系數(shù)逐漸減小。

參考文獻

[1] 施哲夫.遠射程消防水炮噴嘴設(shè)計及內(nèi)部流道優(yōu)化[D].江蘇大學(xué)，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(shù)條件[S].

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