橢圓截面形狀大回轉(zhuǎn)消防水炮炮管內(nèi)流數(shù)值模擬

徐捷，袁壽其，薛林，向清江*

(1. 江蘇大學(xué)國(guó)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)

消防水炮是指以水為介質(zhì)并將水的壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能進(jìn)行射流的流體機(jī)械.為了適應(yīng)更大的滅火劑流量，實(shí)現(xiàn)高效滅火，并有效保護(hù)救援人員人身安全，消防水炮需向大流量、遠(yuǎn)射程、大型化的方向發(fā)展.而為了減小大流量消防炮安裝在消防車或船上時(shí)龐大的操作空間，需要結(jié)合消防水炮的流道結(jié)構(gòu)、水力特性和噴射范圍等性能開展深入研究.

固定式消防水炮主要由炮管和噴嘴組成，對(duì)炮管流道和噴嘴的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是固定式消防水炮性能研究的關(guān)鍵.目前的研究主要關(guān)注減少消防水炮內(nèi)部流動(dòng)損失，獲得良好的流動(dòng)狀態(tài)，從而在相同水炮入口條件下達(dá)到最遠(yuǎn)的射程.

薛林等[1]研究了固定式消防水炮的經(jīng)濟(jì)流速上限，并對(duì)不同曲率半徑下傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)、半回轉(zhuǎn)、大回轉(zhuǎn)3種結(jié)構(gòu)炮管形式的內(nèi)流特性進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)大回轉(zhuǎn)型水炮炮管具有結(jié)構(gòu)緊湊且出口旋流強(qiáng)度小的特點(diǎn).袁丹青等[2]對(duì)5種不同曲率半徑下的U型彎管流道內(nèi)安裝導(dǎo)流片的位置和數(shù)量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)曲率半徑小于流道半徑的情況下，在流道內(nèi)安裝導(dǎo)流片可以降低管內(nèi)湍流程度，在靠近內(nèi)壁面的半流道內(nèi)安放導(dǎo)流片可減少管內(nèi)流體的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)，單片導(dǎo)流片在炮管內(nèi)的安裝效果比雙片導(dǎo)流片更優(yōu).袁曉明等[3]從射流穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化和射流軌跡3個(gè)方面綜述了目前消防水炮研究過程中存在的局限性，并對(duì)未來(lái)消防水炮的發(fā)展進(jìn)行了展望.胡國(guó)良等[4]提出流道結(jié)構(gòu)影響系統(tǒng)的壓力損失和湍流程度，并能起到調(diào)節(jié)水流穩(wěn)定性的作用.姚強(qiáng)[5]對(duì)湍流波動(dòng)、局部損失、沿程損失在影響流場(chǎng)穩(wěn)定的作用中所占的比重進(jìn)行了分析，并針對(duì)主要的能量損失提出可行的導(dǎo)流板改進(jìn)方案，以及對(duì)導(dǎo)流板的位置、數(shù)量和張角等因素進(jìn)行了討論.王菁等[6]利用8種湍流模型以及曲率修正后的模型對(duì)不同雷諾數(shù)下U型彎管的速度、湍動(dòng)能、湍流剪切應(yīng)力、摩擦系數(shù)和靜壓力系數(shù)與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)較大的情況下，曲率修正對(duì)SKE湍流模型預(yù)測(cè)性能改善效果最好，模擬結(jié)果更準(zhǔn)確.湛含輝等[7]研究發(fā)現(xiàn)彎管壓降受到主流速度、彎管彎曲程度等因素的共同影響.張小宇[8]通過在彎管處加入導(dǎo)流片和在出口段加入穩(wěn)流器來(lái)對(duì)炮身流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并基于流體力學(xué)的相似性原理，建立適用于消防水炮的相似性模型.石榮[9]對(duì)炮管內(nèi)導(dǎo)流片和整流器2種消旋裝置進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)彎管內(nèi)壁面附近為最佳導(dǎo)流片安放位置，對(duì)整流器截面形狀、整流器進(jìn)出口處理方式、整流器長(zhǎng)度進(jìn)行分析對(duì)比，提出了雙層螺旋整流器及蜂窩型螺旋整流器能顯著提高水炮射程.陳偉剛[10]基于PS100型固定式消防水炮，對(duì)部分方形流道、全直角過渡流道、颶風(fēng)流道和雙彎曲流道等4種流道形式的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行分析，方形流道的流道結(jié)構(gòu)比圓形流道的流道結(jié)構(gòu)在沿程阻力損失及彎管局部阻力損失大，流道過流截面突變的颶風(fēng)形流道會(huì)產(chǎn)生較大的附加局部渦流，雙彎管流道由于彎管多，導(dǎo)致壓力損失增倍.方形流道速度場(chǎng)矢量變化較大，全直角過渡流道在轉(zhuǎn)彎處渦旋比較嚴(yán)重.由于轉(zhuǎn)彎比較急，颶風(fēng)流道和雙彎曲流道速度矢量混亂，都不具有很好的水力性能.

綜上所述，對(duì)于消防水炮炮管結(jié)構(gòu)和性能方面的研究多借鑒國(guó)內(nèi)外對(duì)于彎管的研究[11-13]，關(guān)于炮管流道的研究主要關(guān)注流道內(nèi)部設(shè)置不同結(jié)構(gòu)的整流器和分布不同長(zhǎng)度、數(shù)量和位置的分流片.而在炮管截面形狀方面的研究比較少，非圓截面形式的彎管對(duì)內(nèi)部二次流流動(dòng)具有影響，從而對(duì)流動(dòng)損失、出口流態(tài)具有影響.RAO等[14]對(duì)比了圓形、橢圓形、淚珠截面的彎管流動(dòng)特性.CHANDRATILLEKE等[15]對(duì)比了矩形和橢圓截面彎管內(nèi)部流動(dòng)，均獲得了流動(dòng)損失略有改變但換熱性能獲得改善的結(jié)論.因此，水炮炮管截面的改變對(duì)性能的影響值得深入研究.

文中選取7種相同空間繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu))不同離心率橢圓截面的消防水炮炮管，分析流道的水力損失，進(jìn)行出口流態(tài)對(duì)比分析，包括流體的旋轉(zhuǎn)特性、湍流特性以及流動(dòng)均勻性等.

1 水炮主體彎管形式

文中研究的大回轉(zhuǎn)消防水炮設(shè)計(jì)流量Q為167 L/s，水炮炮管內(nèi)徑d為180 mm，工作壓力為1.0 MPa.大回轉(zhuǎn)型消防水炮炮管主體結(jié)構(gòu)都是由直管段和彎管連接組合而成，按入口至出口的沿程順序，流經(jīng)的彎管度數(shù)分別為90°，180°，125°和35°.大回轉(zhuǎn)水炮炮管并非整個(gè)流道改為橢圓截面進(jìn)行對(duì)比研究.為保證進(jìn)出口與法蘭和噴嘴的連接，水炮炮管進(jìn)、出口保持圓截面，其中進(jìn)口直段位置安裝渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于水炮水平旋轉(zhuǎn)；在180°和125°彎管之間的直管段位置保持為圓截面，該位置安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水炮俯仰功能；流道第1個(gè)彎管也即90°彎管保持為圓截面，用于流道光滑過渡和連接.水炮炮管流道剩余的部分則更改為各種離心率的橢圓截面.橢圓截面與圓截面的過渡是采用Cero設(shè)計(jì)軟件建模而成，三維結(jié)構(gòu)與參數(shù)示意圖如圖1所示.

圖1 消防水炮炮管三維造型和參數(shù)示意圖

為了避免后坐力的影響，出口法線與垂直的主體進(jìn)口管軸線在同一平面內(nèi)，水炮射流仰角為30°.橢圓型炮管在保證與圓形截面具有相同過流面積的情況下，選取3組不同離心率的橢圓截面，其中，橢圓截面按照壓扁方向的不同分為橫向壓扁和豎向壓扁，共7組水炮截面形狀如圖2所示.為便于區(qū)分，將7組不同截面形狀炮管命名為case1—case7，截面參數(shù)如表1所示,表中m為長(zhǎng)半軸，n為短半軸，e為橢圓離心率，d為水力直徑.其中，case1為離心率為1的圓截面，隨橢圓離心率的增大，截面被壓扁程度增加.表中同一離心率下分成了橫向和豎向壓扁2種對(duì)比模型.橢圓截面水力直徑隨著離心率的增大而減小.

圖2 消防水炮炮管截面形狀示意圖

表1 不同截面大回轉(zhuǎn)型水炮炮管截面參數(shù)表

為了多方面地對(duì)比7種不同截面炮管的內(nèi)部流態(tài)，分別選取流量Q為167，120，80 L/s這3種流量工況進(jìn)行研究.主要計(jì)算參數(shù)如表2所示，表中u為炮體進(jìn)口平均流速，Re為炮體雷諾數(shù).

表2 不同截面大回轉(zhuǎn)型水炮計(jì)算參數(shù)

2 數(shù)值模擬方法

采用Fluent軟件開展圖2中7種水炮炮管數(shù)值模擬．網(wǎng)格為六面體結(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(wú)滑移條件，在計(jì)算中采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10-5.

為了保證計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性良好，在對(duì)大回轉(zhuǎn)型消防水炮模型劃分網(wǎng)格后，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn).圖3為不同網(wǎng)格數(shù)N對(duì)水炮壓力損失Δp和出口湍動(dòng)能k的計(jì)算結(jié)果.

圖3 消防水炮炮管網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證示意圖

采用ICEM CFD軟件對(duì)水炮炮管模型劃分的網(wǎng)格數(shù)從117萬(wàn)至378萬(wàn).圖4為消防水炮炮管計(jì)算網(wǎng)格示意圖.水炮主體壓力損失和水炮出口湍動(dòng)能隨著網(wǎng)格數(shù)的增加逐漸升高后趨于穩(wěn)定，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在235萬(wàn)左右時(shí)，相鄰網(wǎng)格數(shù)的消防水炮計(jì)算差距越來(lái)越小，故對(duì)水炮劃分的網(wǎng)格數(shù)應(yīng)不少于235萬(wàn)，最終網(wǎng)格如圖4所示.

圖4 消防水炮炮管計(jì)算網(wǎng)格示意圖

3 不同截面形狀炮管對(duì)比分析

表3 不同截面大回轉(zhuǎn)型水炮計(jì)算結(jié)果對(duì)比

其中，湍動(dòng)能在出口面上采用了面積加權(quán)平均，出口渦通量是對(duì)出口法向方向上角速度的積分，平均出口速度偏差計(jì)算式為

(1)

式中：ui為出口網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的速度；N為出口面上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量;Ubulk為水炮炮管的質(zhì)量平均流速.為便于比較，根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制圖5—8.

從圖5—8可看出，3種流量工況下，7種截面炮管總壓差、出口平均湍動(dòng)能、出口渦通量、平均出口速度偏差值計(jì)算的結(jié)果存在差異，從總壓損失變化圖來(lái)看，圓截面炮管總損失最小，橫向橢圓截面壓力損失要高于豎向橢圓截面炮管，但總體差距不大.在最大流量下，總壓損失變化量最大，這是由于此時(shí)流道內(nèi)平均流速最高，此時(shí)豎向橢圓截面相對(duì)于圓截面，壓力損失的增長(zhǎng)變化不超過2.7%，因此認(rèn)為，等面積約束下流道截面形狀改變后，總壓損失的小幅增長(zhǎng)在水炮設(shè)計(jì)中是可以接受的，當(dāng)總壓損失為關(guān)鍵參數(shù)需要考慮時(shí)，則可通過適當(dāng)增大管徑來(lái)解決.

圖5 炮管壓力損失值Δp

從圖6來(lái)看，3種流量工況下，圓截面炮管出口平均湍動(dòng)能最優(yōu)，隨著橢圓截面離心率的增大，橫向壓扁和豎向壓扁的炮管的平均出口湍動(dòng)能均增大，而橫向壓扁的炮管增加趨勢(shì)較豎向壓扁的炮管更大，說明橫向壓扁更不利于出口流態(tài)的穩(wěn)定.這種規(guī)律在流量越大的情況下越明顯.

圖6 炮管出口截面平均湍流強(qiáng)度值

圖9為大流量167 L/s工況下，7個(gè)模型的出口湍動(dòng)能分布圖.從圖可看出，炮管湍流達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)時(shí)出口截面的分布形態(tài)不同，圓截面炮管case1的出口湍動(dòng)能集中在管軸線附近，而豎向橢圓截面炮管case2至case4的出口湍動(dòng)能最大值越來(lái)越偏離中心位置，向右下方蔓延，橫向橢圓截面炮管出口湍動(dòng)能較豎向和圓截面炮管增大明顯.隨著炮管離心率的增大，高湍動(dòng)能區(qū)域向右上方偏移，向第2峰值靠近，說明相比較圓截面情況，橫向和豎向橢圓截面流道的改變，使出口面上的湍流脈動(dòng)速度分量發(fā)生變化，壁面曲率的改變也對(duì)壁面附近湍流的發(fā)生發(fā)展具有影響.

出口渦通量J是衡量旋渦強(qiáng)度的參數(shù)，從圖7看出，豎向和橫向橢圓截面炮管隨著橢圓離心率的增大，旋渦強(qiáng)度均逐漸減小，參照表3中的數(shù)據(jù)可看出，case2的J值大于圓截面case1的J值，而case5的J值則是小于case1，說明相同的小偏心率橢圓截面下產(chǎn)生了不同的J值，則J值對(duì)壓扁流道的方向較為敏感.隨著壓扁流道程度的增加，對(duì)出口位置流體整體的旋渦抑制具有加強(qiáng)的作用，從而，豎向壓扁的J值(case2，3，4)從大于case1變化到小于case1，表明改變流道截面形式可減小流道出口位置的旋渦強(qiáng)度.

圖7 炮管出口截面渦通量J值

速度是衡量炮管水力性能優(yōu)劣的最重要的參數(shù).圖8為3種流量工況下平均出口速度偏差值變化圖，平均速度偏差值是出口速度偏差值的算術(shù)平均值，表征出口速度與平均值的偏差程度，從圖中看出，隨著豎向和橫向橢圓截面炮管壓扁的程度增大，豎向橢圓炮管出口速度偏差越來(lái)越小，說明速度分布更均勻，而橫向橢圓炮管出現(xiàn)相反的趨勢(shì)，從case5逐漸增大到case7，說明橫向壓扁后，出口速度偏差較大，速度發(fā)展不均勻，這也說明了壓扁流道的方向?qū)Τ隹谒俣染鶆蛐杂绊懨黠@.3種流量工況下，速度變化規(guī)律具有一致性，而大流量工況下(167 L/s)，上述規(guī)律和趨勢(shì)最明顯.

圖8 炮管出口速度偏差值

圖9 不同截面炮管出口湍動(dòng)能分布圖

為了更直觀地對(duì)比炮管出口的速度場(chǎng)，大流量下出口速度分布云圖如圖10所示.速度分布云圖顯示，7個(gè)不同截面炮管出口速度分布形態(tài)總體相差較小，均呈現(xiàn)高速區(qū)和低速區(qū)的分布不均，這是由于整體流道的繞轉(zhuǎn)形式帶來(lái)的結(jié)果，通過圖8數(shù)據(jù)值才能反映出均勻性的差異，也可通過徑向速度分布曲線進(jìn)一步對(duì)比出口速度的均勻性.

圖10 不同截面炮管出口速度云圖

4 討 論

對(duì)3種流量工況下進(jìn)口直徑為180 mm的大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)水炮炮管進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)炮管的流道進(jìn)行了變截面設(shè)計(jì)，實(shí)際為一種圓截面和橢圓截面相結(jié)合的流道形式，橢圓截面的管道長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的比例較大.從數(shù)值模擬的精度上分析，所對(duì)比的7種模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果差異明顯.對(duì)于空間連續(xù)彎管內(nèi)流流動(dòng)，固壁邊界約束的流體繞轉(zhuǎn)情況下，文中仍選取了標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，是由于其具有高雷諾數(shù)下易于收斂的特點(diǎn)，而其他湍流模型計(jì)算獲得的炮管出口結(jié)果是否與文中一致值得深入研究.對(duì)于出口位置流動(dòng)均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的速度算術(shù)平均的方法，雖然明顯反映出了圓截面與扁截面的差異，以及橫扁和豎向壓扁的差異，但是均勻性的評(píng)價(jià)方法不夠全面.從圖10出口速度云圖中可直觀地看出高速區(qū)與低速區(qū)的分布，但高速區(qū)偏移圓管中心點(diǎn)的距離有待分析.研究中獲得渦通量、出口平均湍動(dòng)能和出口速度偏差對(duì)流道壓扁方向的變化敏感，是因?yàn)橹髁魉俣戎獾乃俣确至渴芏瘟鲝?qiáng)度的影響，從而影響出口截面角速度計(jì)算值，對(duì)于僅統(tǒng)計(jì)進(jìn)出口總壓壓差獲得的流動(dòng)損失，在討論的4個(gè)參數(shù)中，壓扁方向的改變對(duì)其影響相對(duì)來(lái)說較小.

采用壓扁管道的方法，目的一是改善大回轉(zhuǎn)型水炮炮管出口流態(tài)，二是考慮節(jié)約水炮的占用空間，為使結(jié)構(gòu)緊湊則需要對(duì)比研究回轉(zhuǎn)半徑改變帶來(lái)的影響.文中固定了模型中各個(gè)彎管的彎曲半徑，變回轉(zhuǎn)半徑是后續(xù)研究工作.研究中所采用的4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)實(shí)際水炮性能的影響有待試驗(yàn)驗(yàn)證.

5 結(jié) 論

通過對(duì)圓截面消防水炮炮管與3對(duì)橫向和豎向方向的不同離心率橢圓截面炮管進(jìn)行數(shù)值模擬，主要結(jié)論如下：

1) 3種流量工況下，橢圓截面炮管在壓力損失方面均比圓截面炮管略高，水力損失變化量不到圓管損失的2.7%，幾乎可以忽略，后續(xù)可以通過增大管徑等方式來(lái)減小影響.

2) 圓截面水炮炮管出口平均湍流強(qiáng)度最小，在非圓截面情況下，豎向橢圓截面和橫向橢圓截面炮管出口隨著橢圓離心率的增大，湍動(dòng)能核心區(qū)逐漸偏離炮管中心軸線，說明圓截面的炮管比扁圓管，尤其是橫向的扁圓管出口湍流更穩(wěn)定.

3) 炮管出口正負(fù)渦抵消效果造成渦通量的減小，圓截面炮管出口和豎向橢圓截面炮管出口流線疏密程度較橫向橢圓截面炮管更均勻，相同離心率的豎向橢圓截面炮管比橫向的橢圓截面炮管出口速度偏差值要至少小21%.隨橢圓離心率的增大，豎向橢圓截面的流道出口速度減小，豎向橢圓流道出口速度偏差均小于圓形流道，說明豎向橢圓流道出口速度分布更均勻.

4) 對(duì)不同截面形狀炮管的模擬結(jié)果和水力性能規(guī)律在3種流量工況下具有一致性，其中，流量越大，規(guī)律和差異越明顯.