消防水炮主體彎管的繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)出口流態(tài)分析

薛林，袁壽其，向清江*，徐婕

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 應(yīng)急管理部上海消防研究所，上海 200032)

大型消防水炮廣泛應(yīng)用于大空間火災(zāi)保護(hù)場所[1]，例如煉油廠、倉庫、港口碼頭等，在保護(hù)國家財產(chǎn)安全方面發(fā)揮了重要作用.水炮按出口截面形式分為導(dǎo)流式和瞄口式.導(dǎo)流式出口截面為圓環(huán)形，水炮的射流具有開花散射和收束直射的功能；瞄口式水炮出口為圓截面，射流水柱集中，射程較遠(yuǎn).大流量、遠(yuǎn)射程船用水炮一般采用瞄口式結(jié)構(gòu).

瞄口式消防水炮流道結(jié)構(gòu)主要分為水炮主體、炮管和噴嘴這3部分.水炮噴嘴為圓錐形收縮管，噴嘴的作用是將水的壓力勢能轉(zhuǎn)換為動能，內(nèi)部水的流速在出口處增至最大.噴嘴的研究一般集中于噴嘴輪廓線，其影響著動能轉(zhuǎn)換的效率.MCCARTHYM[2]指出噴嘴內(nèi)部表面光滑程度影響噴嘴的勢能向動能轉(zhuǎn)換，分析了3種噴嘴結(jié)構(gòu)形式，指出長度與噴嘴直徑比L/d對出口斷面速度的影響很大.王樂勤等[3]研究分析了48個模型噴嘴的收縮角、長徑比、直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流性能的影響.水炮炮管為內(nèi)部安裝整流器的一段直圓管，炮管的研究主要集中于內(nèi)部整流器結(jié)構(gòu)形式和消旋效果.XIANG等[4]給出一種雙層圓加肋片形式的穩(wěn)流器，采用正交試驗方法分析了主要的尺寸影響因素.王紅霞[5]探討了消防水槍中的幾種穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)形式、特點以及主要參數(shù)設(shè)計原則，試驗觀測認(rèn)為蜂巢形穩(wěn)流器具有較好的效果.水炮主體為圓管形式的繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其研究一般集中在內(nèi)部分流片安裝位置及尺寸方面.袁丹青等[6]對不同曲率的水炮主體內(nèi)安裝不同數(shù)量、不同位置導(dǎo)流片進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，表明導(dǎo)流片可改善流動狀態(tài)；琚學(xué)振[7]對水炮主體內(nèi)分流片給出了整體布置形式，其效果有待試驗驗證.

水炮左右旋轉(zhuǎn)、上下俯仰噴射的功能是通過安裝在水炮主體上的渦輪蝸桿傳動機構(gòu)實現(xiàn)的，因此水炮的繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)研究不僅要考慮內(nèi)部流動狀態(tài)，而且要考慮炮體整體結(jié)構(gòu)需緊湊、傳動機構(gòu)布置需合理.目前，關(guān)于水炮主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、曲率大小研究的文獻(xiàn)較少.雖然數(shù)值研究結(jié)果表明，水炮主體部分的流動損失占整個流道流動損失的比例較小[8]，但已有的試驗反映出合適的水炮主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)能明顯增大水炮射程，國外水炮產(chǎn)品中，已有非圓形截面的水炮主體流道形式，水炮主體內(nèi)流體的繞流特性、二次流[9-11]還有待深入研究.

文中設(shè)計3種水炮主體分別繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)形式，分析流道的水力損失，對出口流態(tài)流體的旋轉(zhuǎn)特性、湍流特性進(jìn)行對比分析.

1 水炮主體彎管形式

文中研究的消防水炮設(shè)計流量為600 m3/h，水炮主體管道內(nèi)徑d為180 mm，考慮到僅對主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)開展對比分析，因此省略了內(nèi)部的分流片.定義3種水炮主體分別為傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)、半回轉(zhuǎn)、大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式來源于實際水炮產(chǎn)品，如圖1所示.

圖1 3種消防水炮主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

圖1a所示水炮的傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)也稱為U形，考慮到大流量水炮主體結(jié)構(gòu)的緊湊性，未對比S形小流量中常見的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu).3種水炮主體回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)都是由直管段，90°,180°以及一定角度的彎管構(gòu)成的組合體，渦輪蝸桿傳動機構(gòu)安裝在回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的直管段位置.水炮主體的入口結(jié)構(gòu)均為垂直圓管段與90°彎管結(jié)合.根據(jù)俯視圖，水炮主體結(jié)構(gòu)都使流道完成了1圈的繞轉(zhuǎn)，在結(jié)構(gòu)的出口處接水炮炮管和噴嘴，出口法線與垂直的主體進(jìn)口管軸線保持在一平面內(nèi).為了對比研究，將出口與水平方向都設(shè)置為30°，也即采用常用的水炮射流仰角.水炮的主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)對比采用管道中心線長、各個彎管的曲率R來衡量.9種對比的尺寸方案如表1所示，表中L1為水炮主體各個直段的長度，θ為彎管彎曲角度，R/d為彎管曲率與直徑比，L為彎管中心線總長.

表1 3種水炮主體的尺寸方案

2 數(shù)值模擬方法

對表1中的3種水炮主體采用Fluent軟件開展數(shù)值模擬.網(wǎng)格劃分為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，邊界條件選用速度進(jìn)口和壓力出口，壁面采用無滑移條件，并根據(jù)不銹鋼材料設(shè)置粗糙度高度為0.046 mm.壓力速度耦合采用SIMPLE方案，各項殘差以10-4為收斂值.由于選用了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，網(wǎng)格第1層節(jié)點需要設(shè)置在紊流旺盛發(fā)展區(qū)，使速度的對數(shù)分布規(guī)律成立.因此計算時對距離y+進(jìn)行了試算，并對比出口湍動能強度和水炮主體總壓差損失，如表2所示，表中h為第1層網(wǎng)格高度，y+為壁面量綱一的距離，k為出口平均湍動能，Δp為總壓差損失.

表2 不同第1層網(wǎng)格高度時參數(shù)計算值

不同學(xué)者對y+取值范圍定義不同，根據(jù)表2中的結(jié)果，所有模型計算中選取第1層網(wǎng)格高度0.5 mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對網(wǎng)格密度進(jìn)行驗證.圖2為大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)水炮主體的網(wǎng)格量驗證，圖中隨網(wǎng)格密度增大，出口平均湍動能k和總壓差損失ΔP增大，但增加量變少，網(wǎng)格量N從60萬增至195萬時，總水力損失變化量約為0.37 kPa，約占最大網(wǎng)格量計算值的3%，因此網(wǎng)格量變化對水力損失計算結(jié)果影響較小，出口湍動能變化量約0.124 m2/s2，約占最大網(wǎng)格量值的28%，文中選取150萬網(wǎng)格量進(jìn)行計算.

圖2 計算的網(wǎng)格量驗證

3 不同彎管形式對比分析

不同水炮主體回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)計算對比的出口平均湍動能和總壓力損失如表3所示.

表3 3種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)時計算結(jié)果對比

Tab.3 Comparison of the calculating results among three rotary structures

參數(shù)R/d(傳統(tǒng)回轉(zhuǎn))R/d(半回轉(zhuǎn))R/d(大回轉(zhuǎn))1.21.31.41.21.31.41.41.82.2k/(m2·s-2)0.8310.7180.6290.9280.8370.7240.620.4990.411Δp/kPa12.5111.5210.8614.6913.9813.2512.2111.8612.11(Δp/L)/(kPa·m-1)4.313.823.474.834.393.983.943.363.06

從表3可看出，回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)不同，計算的結(jié)果差異明顯.隨著彎管曲率與管徑比值R/d的增大，3種回轉(zhuǎn)體的出口平均湍動能k都減小，水力損失Δp也呈減小的趨勢，其中水力損失為進(jìn)口總壓與出口總壓之差，說明隨著管道曲率增大，流動的局部損失減小.而對于大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，在R/d為1.8時的水力損失略小于1.4和2.2的情況，說明在這個取值區(qū)間大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)存在較優(yōu)的曲率值，大的曲率使水炮占用較大操作空間，小的曲率水力損失大.因此大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)曲率是進(jìn)一步研究的內(nèi)容.單位長度水力損失可為繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考.表3中對于同一種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，單位長度的水力損失隨曲率R/d的增大而減小，也表明曲率的增大減少了局部損失，在R/d為1.4時對比3種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)水炮回轉(zhuǎn)體單位長度水力損失最小，但出口平均湍動能是大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)最小.1.4倍R/d情況下3種結(jié)構(gòu)出口平均湍動能云圖對比如圖3所示.

圖3 3種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)出口湍動能分布對比

湍動能k值的大小反映了湍流脈動長度和時間尺度的大小，是流體紊動的強弱、紊流發(fā)展或衰減的指標(biāo)，其定義為

(1)

式中:u′，v′，w′分別為基于雷諾時均法得到的3個方向的脈動速度.從圖3可看出，圓管湍流達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)時截面的分布形態(tài)不同，湍動能分布顯示中間區(qū)域大，固壁附近小，是因為固壁邊界速度為0，大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的出口湍動能集中在管軸線位置，而傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)和半回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的出口湍動能最大值偏離軸線，且傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)出口的第2峰值明顯，說明這2種結(jié)構(gòu)的出口湍動能分布均勻性小于大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu).3種回轉(zhuǎn)體出口方向為流體主流流動方向，式(1)中坐標(biāo)方向是人為設(shè)置定義的，3個方向的脈動速度中有某一方向與主流方向接近一致，當(dāng)另2個脈動速度分量較大時，對主流流動具有影響.因此湍動能分布偏離軸心線位置也反映了主流方向上速度分布不均勻.表3中統(tǒng)計的湍動能平均值是以出口面積為加權(quán)平均，僅反映平均值的大小，出口湍動能值的大小及分布均勻性與提高水炮內(nèi)部流動性能的關(guān)聯(lián)有待進(jìn)一步研究.

水力損失對比中半回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)較大，因此僅對比R/d為1.4的傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)和大回轉(zhuǎn)出口流態(tài)，將圓形出口按45°間隔截取4條速度剖面線y,z,yz1,yz2，剖面線水平和垂直方向與建模時的坐標(biāo)方向一致，出口處斜剖面線分別命名yz1和yz2，出口徑向速度v分布曲線如圖4，5所示.

對比的彎管內(nèi)雷諾數(shù)約為1.0×106，圖中理論速度剖面線按圓管湍流速度分布1/7律計算，其計算式為

(2)

式中:v為r徑向位置時的理論速度;vmax為出口斷面中心最大速度，通過入口平均速度計算獲得.圖4,5中的徑向速度分布曲線與理論速度曲線對比，各曲線的速度最大值與理論值一致.但數(shù)值模擬所得的速度分布線在圓管中心位置，并不是最大速度，而是在管壁附近出現(xiàn)峰值，由此判斷流體在經(jīng)過多次繞轉(zhuǎn)后，在出口處帶有較強的旋度.圖4中的yz2速度分布線左側(cè)速度嚴(yán)重偏低，圖中4條速度曲線按中心軸線對稱性能對比，低于圖5的情況，表明傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)出口速度分布均勻性低于大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，與通過湍動能分析得到的結(jié)論一致.

圖4 傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)出口速度曲線

圖5 大回轉(zhuǎn)出口速度曲線

最大流速區(qū)域偏向管壁的現(xiàn)象也與管內(nèi)二次流有關(guān)，流體沿管道軸向流動時，由于彎曲管道的離心力作用，沿管外側(cè)壓強大于彎曲內(nèi)側(cè)，橫向壓力的作用下彎管截面上出現(xiàn)與主流軸線方向垂直的流動.對于流體流過90°彎管后，斷面出現(xiàn)2個反向渦已成為定論，稱為迪恩渦.迪恩渦的強度和形態(tài)反映了流體旋轉(zhuǎn)和局部損失，其也被利用于二次流強化傳熱的性能研究[12].但90°彎管后接多個角度不同的彎管構(gòu)成彎管組合體，且組合體整體為一種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，對其內(nèi)部軸線沿程二次流狀態(tài)掌握尚不夠詳細(xì)，文中僅對比回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)出口流線狀態(tài)如圖6所示.

圖6 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)出口流線對比

圖6對比了3種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)2種曲率出口的流線圖，以主流流出出口為視角.從圖6a中看出,傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)R/d=1.4時出口斷面僅有1個順時針的基本渦.圖6b中半回轉(zhuǎn)出口有明顯的3個渦存在，2個順時針及1個逆時針方向.圖6c中大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在R/d=2.2時出口有3個渦，管中心區(qū)域順時針方向2個主要的渦，管壁附近存在逆時針小渦，大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)R/d=1.4時渦的形態(tài)與圖6a一致，因此并未作圖.

常采用無因次準(zhǔn)則數(shù)——迪恩數(shù)來衡量彎管內(nèi)離心力、慣性力、黏性力的作用，計算式為

De=Re·(r/Rc)0.5,

(3)

式中:Re為雷諾數(shù)，文中各對比方案中雷諾數(shù)相同；r為彎管的管半徑90 mm；Rc為彎管曲率半徑.在雷諾數(shù)相同的情況下，迪恩數(shù)與幾何尺寸曲率相關(guān).90°彎管之后出現(xiàn)的1對反向渦在隨后的彎管、直管內(nèi)發(fā)展，新的渦出現(xiàn)以及消失等，需要結(jié)合水炮主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)以及臨界迪恩數(shù)開展分析.圖6a,b,c出口旋渦渦量積分后得到旋渦強度，分別為-0.589，-0.125，-0.195 m2/s，與圖6a一致的大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)R/d=1.4出口旋渦強度為-0.302 m2/s，因此單一的渦形態(tài)表明出口旋渦強度較大.圖6b，6c中存在不同方向的渦，抵消了部分旋轉(zhuǎn)強度.

4 討 論

對3種消防水炮主體回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)開展數(shù)值模擬研究，獲得各彎管水力損失的大小，出口流態(tài)采用了湍動能、速度分布曲線和迪恩渦進(jìn)行對比，反映出內(nèi)部流動性能存在較大差異.對文中的計算精度和計算結(jié)果討論如下：

單相流數(shù)值模擬方法逐漸成熟，模擬準(zhǔn)確度較高，是復(fù)雜試驗的替代方案，計算結(jié)果和獲得的規(guī)律可做參考.文中采用了標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型模擬，模型中的常系數(shù)適用于完全發(fā)展的湍流，但對于水炮主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其流動特點是有旋轉(zhuǎn)，受二次流影響.因此可與帶旋流修正的k-ε模型、雷諾應(yīng)力模型(RSM)計算的結(jié)果進(jìn)行對比.

由于采用了面積加權(quán)平均，出口湍動能的平均值與出口面的網(wǎng)格劃分疏密有關(guān)，O型網(wǎng)格劃分采用了一樣的節(jié)點數(shù)布置，可減小對比誤差.在開展網(wǎng)格量對計算結(jié)果無關(guān)性驗證時，k值變化量達(dá)到28%，原因是沿固壁指向圓心方向，邊界層厚度極小，湍動能變化梯度大，在固壁邊界附近統(tǒng)計的湍動能值誤差較大.

通過水力損失對比3種結(jié)構(gòu)，半回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)形式在各曲率半徑下都較大.該結(jié)構(gòu)接近出口段含有2個波浪形式連接的45°彎管，增加了流動阻力.大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計中為了避免出口段與進(jìn)口段相交，因此R/d尺寸方案較大.該結(jié)構(gòu)特點是為了充分借用離心力的作用，流體以進(jìn)口管軸線為基準(zhǔn)，回旋后流出.這種方案的流動損失比傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)流動損失大，原因是該結(jié)構(gòu)中沿程損失是主要的損失，管道的彎曲使管外側(cè)壁面壓力大于內(nèi)側(cè)，大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中具有較高壁面壓力的區(qū)域大于傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(限于篇幅，文中未給出管壁壓力計算云圖)，而傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)由二次流引起的局部水力損失為主要損失.

出口旋渦強度的大小反映出回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣，在相同R/d=1.4的情況下，傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)和大回轉(zhuǎn)的出口處得到了相似的單一順時針方向渦形態(tài).但大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)旋渦強度較小，原因是大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)出口段35°的彎管前有一段長直段，該直段具有一定的整流功能.關(guān)于去除出口段35°的彎管是否有助于減小流動損失、進(jìn)一步降低旋渦強度，還有待分析.水炮主體的出口流動有旋渦，說明內(nèi)部消旋片的安裝很有必要，此外水體的旋轉(zhuǎn)也將會在炮管內(nèi)的整流器中得到進(jìn)一步消除.

5 結(jié) 論

對于水炮射流仰角30°、管內(nèi)徑180 mm，設(shè)計流量600 m3/h的3種水炮主體開展數(shù)值模擬研究，獲得結(jié)論如下：

1) 3種水炮主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中，隨著彎管曲率R/d的增大，水力損失都減小，與估算彎管局部水力損失采用的系數(shù)減小規(guī)律一致.

2) 主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的出口速度分布曲線呈現(xiàn)出軸線附近較低、管壁附近出現(xiàn)峰值的形態(tài)，表明繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)使出口流體旋轉(zhuǎn)較強.

3) 出口迪恩渦形態(tài)與彎管曲率大小及繞轉(zhuǎn)方式的不同而不同，存在反方向渦時，旋渦強度小.R/d為1.4時大回轉(zhuǎn)和傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)的出口具有1個基本渦，但大回轉(zhuǎn)的旋渦強度小.

4) 綜合分析水力損失和出口流動參數(shù)，大回轉(zhuǎn)的繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)形式有利于后續(xù)水炮炮管和噴嘴內(nèi)部流動.