優(yōu)化噴嘴結(jié)構提高消防炮射水充實段長度

廖曉鋒

摘要：本文介紹了從消防滅火實際需要出發(fā)，結(jié)合具體實例著重分析了消防炮噴嘴流道結(jié)構，并進行優(yōu)化設計和實驗驗證，給出了提高消防炮射水充實段長度的噴嘴結(jié)構。

關鍵詞：消防水炮;噴嘴結(jié)構;射水充實段

一、概況

消防炮在消防滅火領域中是十分重要的裝備，因其較低的成本及高效環(huán)保的滅火效能而得以廣泛運用。消防炮種類較多，按噴射介質(zhì)分類可分為消防水炮、泡沫炮、干粉炮，按控制方式可分為手動、電控、液控消防炮。在現(xiàn)行消防炮國家標準中消防炮的主要性能指標為流量、射程、額定工作壓力等，對其射水集中度（即本文所述射水充實段）未作要求，如果采用自動跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)進行工作時，提高消防水炮的射水充實段長度就顯得非常重要了，一是可增加射程，二是可實現(xiàn)較準確的射流定位，實現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)早撲滅初期、局部火災。本文以電控消防水炮為例，研究其噴嘴內(nèi)部結(jié)構對射流水柱充實段長度的影響，通過優(yōu)化設計及實驗驗證獲得較好的噴嘴射流結(jié)構，提高射水充實段長度。

二、優(yōu)化噴嘴前的射流狀況

本文以PSKD30電控消防水炮的充實水柱型噴嘴為例進行分析，其主要參數(shù)為額定工作壓力1.0MPa，流量30L/s，射程55米（優(yōu)化噴嘴前），炮與地面傾角35°。經(jīng)測試，距炮噴嘴2米處射流水柱開始明顯擴散，距噴嘴15米處其水柱橫截面直徑已達1.1m，在其最大有效射程55米處落水點已散布為橫向約4.5m，縱向約8m的一個較大范圍的橢圓，顯然對自動跟蹤定位射流滅火需要準確的落水點來說是非常不理想的。

在高層民用建筑設計防火規(guī)范中，對消防水槍的射水充實段提出了要求，不應小于13米，如下圖1所示，但在消防炮相關規(guī)范中對射水充實段長度未作明確要求。

三、充實水柱型噴嘴的非淹沒射流結(jié)構分析

（一）射流過程及結(jié)構

非淹沒射流是指噴嘴水射流直接射入空氣中，圖2所示為非淹沒射流結(jié)構，

射流流體從噴口射出時流速為u0，均勻分布，當流體離開噴口后，在引力、空氣阻力以及擾動的作用下，與周圍流體之間出現(xiàn)不連續(xù)間斷面，且不穩(wěn)定，產(chǎn)生強烈的紊動。流體質(zhì)點的橫向脈動把相鄰的靜止空氣流體卷吸到射流中來，在動量交換過程中速度減緩下來，使速度仍保持為u0 的射流核心區(qū)沿程逐漸縮小，以至流經(jīng)一定距離后即行消失。在外邊界與核心區(qū)域之間，射流截面上的速度由零增大到u0。

在射流表面動量傳遞到空氣中，水滴的速度下降，減慢的水滴開始與射流主體脫離，根據(jù)能量守恒定律，另一個引起射流進一步分化的因素：大氣壓力 ;射流中壓力? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，可見射流中的壓力低于大氣壓力，在這個壓力差作用下空氣會更多的進入到射流中，射流的瓦解就進一步擴大，這個過程是逐漸的無法抗拒的自然過程。

（二）射流穩(wěn)定性分析

射流密實段與其射流穩(wěn)定性有關，穩(wěn)定的射流其密實段就長，因而其射程也較遠，射流的穩(wěn)定性（破裂長度）用以下公式來表述。

四、噴嘴結(jié)構設計參數(shù)分析

（一）影響射流穩(wěn)定性的主要幾何參數(shù)

在額定工作壓力及流量一定的情況下，炮噴嘴的結(jié)構參數(shù)決定了射流的穩(wěn)定性。影響射流穩(wěn)定性的主要幾何參數(shù)：

（1）收縮角 θ; （2）縱橫比? ?;收縮比? ?;（3）噴嘴內(nèi)流道流線型計;（4）噴嘴內(nèi)壁的粗糙度;（5）整流裝置的設置。

這些因素中，當炮的工作壓力及流量按標準確定后，D及d就基本確定了;能優(yōu)化的參數(shù)就只有θ、L及整流裝置的結(jié)構參數(shù)。粗糙度靠加工來保證。

經(jīng)試驗測試，本噴嘴內(nèi)采用如圖3整流裝置，將流道橫斷面分隔成多個小部分，使水流徑向的能量盡快消失，減少湍流對射流穩(wěn)定性的影響。

本文所述噴嘴內(nèi)采用圖3所示整流裝置結(jié)構，整流芯將流道橫斷面分隔成多個小部分，使水流徑向的能量盡快消失，減少湍流對射流穩(wěn)定性的影響。

僅就炮頭而言，影響其射程及射流穩(wěn)定性的因素為θ，L及L1，這三個因素對射流穩(wěn)定性及射程有不同程度的影響，而且其影響是交互性的。因此，必須經(jīng)理論分析后通過實驗來找到這三個參數(shù)的最優(yōu)組合。

（二）噴嘴幾何結(jié)構

（三）炮頭內(nèi)部水流的仿真分析

通過選擇不同的θ，L及L1組合，通過仿真分析獲得不同的結(jié)構參數(shù)下水流狀態(tài)，當θ=13-15°且L=2-4d、L1≥150mm時可獲得較佳的炮口射流參數(shù)，較好地節(jié)省試驗次數(shù)和成本。

五、試驗驗證方案及結(jié)果

從上表實驗結(jié)果得出，射流穩(wěn)定，射水效果好的三因素分別為（2，1，2），即L=12mm，θ=13°，L1=155mm。PSKD30炮改進后獲得了較好水柱充實段長度，見下圖4所示。壓力為0.8MPa時即可達到68m射程。與優(yōu)化前對比，射水呈明顯的充實性水柱，與仿真分析結(jié)果吻合。