直流喷雾隔爆型消防水炮炮头结构设计及流场仿真分析

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第 l0期2013年 10月机械设计与制造Machinery Design ＆ ManUfacture 63直流喷雾隔爆型消防水炮炮头结构设计及流场仿真分析胡爱闽(华东交通大学 机电工程学院，江西 南昌 330013)摘 要：消防水炮在现代消防灭火作战中起着越来越重要的作用，炮头是消防水炮产生射流的关键部件，其结构参数直接影响消防水炮的射流性能。为研究消防水炮炮头对射流特性的影响，设计 了一种直流喷雾两用型隔爆消防水炮炮头。

利用Fluent流场仿真软件对炮头直流射流和喷雾射流这两种射流方式进行了仿真分析，同时具体分析了炮头喷嘴出口直线段长度、喷嘴开度及喷嘴内径等结构参数对射流特性的影响。相关结论可为消防水炮灭火提供一定的理论指导。

关键词：消防水炮；炮头；结构设计；流场仿真中图分类号：TH16；哪 51 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0063—03Structure Design and Flow Simulation of Monitor Head for Explosion-ProofType Fire W ater Monitor with Direct Jet and Spray JetHU Ai-rain(School of Mechanical＆Electronical Engineering，East China Jiaotong University，Jiangxi Nanchang 330013，China)Abstract：Fire warermonitoris widety usedtoput outfire inthefirefighting．The monitor headis a keypart ofthefire watermo nitor，and its structures cart afect thejetpe~ormance directly．In order to investigate the influences ofthe monitor head onthejet characteristics，a explosion-prooftypefire water monitor head with directjet and sprayjet WOS developed， 加 simulation ofthe monitor head was also carried out using Fluent soj~ware．Furthermore，the influence rules of the nozzlestructure，such傩，the lengh ofthe outlet straight line，the openness and the inner diameter on thejet characteristics werealso discusse~The relevant results COltprovide some guidanceforthefire extinguishingofthefire water monitor.

Key W ords：Fire W ater Monitor；Monitor Head；Structure Design；Flow Simulation1引言消防水炮具有射程远、流量大、灭火效率高等优点，在消防灭火领域占据重要的地位。消防水炮炮头是消防水炮设计中一个关键部件 ，它是将压力水流的势能转化为动能的最后环节，而且还决定着消防水炮的喷射方式。对水炮炮头结构参数的研究，有助于消防水炮的能量转化，保证水流在喷嘴内保持稳定射流，提高射流效果㈣。

消防水炮灭火形式主要有直流射流和喷雾射流两种 。直流射流主要作远距离定点灭火；喷雾射流是以水雾的形式对火灾现场及其周围进行喷雾，可以起到将火源与火灾现场周围氧气隔离的效果，阻止燃烧面积进一步扩大。这两种灭火方式各自有优点，在实际灭火工作中，常根据火场环境变化及火势燃烧强弱切换运用直流和喷雾射流方式，以达到有效抑制火势蔓延并扑灭火源的目的 。针对易燃易爆的石油化工、油罐区、油轮、输油码头、机库、船舶等危险场所，电控消防水炮电机和接线盒均应设计成防爆型，确保安全有效的扑救火灾。基于此，设计了一种可进行直流喷雾转换的隔爆型消防水炮炮头，并采用Fluent流场仿真软件对消防水炮喷嘴的直流和喷雾转换射流的流场特性进行仿真模拟，同时分析炮头结构参数对射流特性的影响。

2直流喷雾隔爆型消防水炮炮头结构设计5 6 7 8 9 101．隔爆电动装置 2．螺旋导套 3．伸缩螺母 4．梯形螺杆5．伸缩连接螺钉 6．柱销 7．喷雾喷嘴 8．喷嘴螺杆9．喷嘴芯 10．喷嘴本体图 1直流喷雾隔爆型消防水炮炮头结构简图Fig．1 Structure Diagram of Fire Water Monitor Headwith Direct Jet and Spray Jet Function来稿日期：2012—12—02，基金项目：国家自然科学基金项目(50865004)作者简介：胡爱闽，(1964一)，男，江西九江人，副教授，主要研究方向：机电产品设计及传动控制64 胡爱闽：直流喷雾隔爆型消防水炮炮头结构设计及流场仿真分析 第 10期所设计的直流喷雾隔爆型消防水炮炮 结构示意 ，如图 1所永。其j维结构图，如图 2所爪、网2直流喷雾 爆 消防水炮炮头 i维图Fig．2 Fh,ce Dimensional DiagtaHl of Fin"Water Monitot}lead Wit1／Direct Jet aM Smay Jet Function3水炮炮头射流特性仿真建模分析3．1水炮炮头射流模型建立采H{FIuen!流场仿真软件建讧的消防水炮炮 喷嘴 流射流及喷雾射流网{=}}帧 ，如图 3所示 、水流f}j喷嘴Ⅲ口喷射到空气中是一种典型的非淹没射流 仿真分析时，为了使结果世加清晰卣脱，需对喷嘴“1口段的小部分 气建 模 。【{I r水流足射人刮空气巾，【大l此采Ⅲ多十l】流模型 消防水炮 『f流射流干¨啖雾射流均属于气液两相流， 消防水炮水流射入 气q]时，认为空气不溶于水，凶此采用 VF模型．需注意的是 VOF模型只能川分离式求解，并且在几何模型区域内小允许有任何空的I，(域，同时VOF模型中只有其中一相是町以』“ 缩的 、一 (a)^：流射流 (}))唢雾射流图3消防水炮炮头喷嘴网格模¨g．3( rid Model ol Fire Water Monitm Jet3．2水炮炮头喷嘴直流射流图 4消防水炮炮头喷嘴 流射流速发等值线．挈IFig．4 The Velocity Contour of the Direct jet直流喷射时，采用标准的 k—s湍流模型。人口采用速度进I 1边界(Velocity—inlet)， KI采用自由 流边界(outflow)。 力?『j边界在此处并不适用， 为 力m口的湍流强度系数不好确定，得到的结果不易收敛【蚓。炮头喷嘴速度等值线 ，如 4所示 当水流流入消防水炮炮头时，水流 喷嘴芯座的底部速度较慢，并且从喷嘴芯座两边流走，仡流经喷嘴芯座前段H寸速度逐渐变大，ji 通过网环形截而使得速度稳步升。当水流到达消防水炮喷嘴前端处，内径渐渐收缩，水流速度冉次变大，从速度等值线图上呵以厅 ， 到达炮头喷嘴时，由于喷嘴与炮 口形成的环形截面积急刷变小，速度急剧变大，并沿喷雾喷嘴壁 喷射出炮口。凶炮 口直线段较长，冈此当水流到达炮口直线段时，【太l为壁面的作朋，从而使得水流反射发生回流，闪此水流会集叶I成柱状。

3．3水炮炮头喷嘴喷雾射流炮头喷嘴喷雾射流与直流射流不同之处在于喷嘴出口段长度比较短。为了与直流射流作对比，建立几何模型时，喷雾喷嘴出口处 l』J=线段长度设为0。当水流从炮 口喷射时，水柱并不会被炮喷嘴壁阻挡返回喷嘴中心 ，也不会在喷嘴芯 洵方jf{形成低压，ln 足一直沿着喷嘴本体斜面喷射而?。仿真数学模型和计算方法 卣流一致 ，同样采用标准 k-e湍流模型，所得到的速度等值线 ，如 5所示。

网5消防水炮炮头喷嘴喷雾射流速度等值线图Fig．5 The Velocity Contour t the Spray Jet4炮头喷嘴结构对射流特性的影响L图 6消防水炮炮头喷嘴结构示意图Fig．6 Stmcture Diagram of the Fire Water Monitor Jet消防水炮喷嘴结构对消防水炮的H{口流态有着决定性的影响．水炮喷嘴直流射流和喷雾射流之间的转换依赖于喷嘴出口的线段长度；水炮喷嘴口圆环面积直接影响喷嘴的 口速度；在一 定的 力条件下，水炮喷嘴开度与电机转速有直接关系。炮头喷嘴结构设计时所需要考虑的主要参数，如陶6所示。主要包括：喷嘴芯座直径 D 喷嘴内径 D ，喷嘴开度 D ，喷嘴星直径 ，直线段长度L 喷嘴芯厚度 ，J，。

4．1喷嘴出口直线段长度L。的影响喷嘴 口直线段长度 ，J ，与喷嘴 【J的流体状态有直接关系 ．，J 越短，喷嘴出口的水流越不集中；，J。越长，由于壁面的约束，使得水流沿着壁面流动，因此水流在一定程度上会更加集中。因NO．1O0ct．20l3 机 械 设计 与 制造 65喷雾射流U；f~tl口段长度为零， 此只讨论直流情况下m口直线段长度的影响。直线段长度为 10mll时喷嘴出口的外射流速度等直线图，如图7所示。从图 7中可以看到，当水流喷m炮头喷嘴时，其水流继续发散，并未往中间聚拢，主要是当水流通过喷嘴口时，由于水流沿着节流套管壁与轴线成一夹角，水流的聚拢主要依靠的是直线段的反射，而靠近水炮中心处的水流由于环形而的约束，其速度较慢，到达直流喷雾凋节套所需的距离较长。当直线段过短，环形水幕在出口时并不能与直线段充分接触，冈此水流向外发散。另外，当水流流冉炮头喷嘴时．其内部的压力由于没有壁面的约束，会使得水流向外以一定的速度分散，凶此，当直线段长度过短时，水流会沿着径向方向一I 同时向外向里分散，这对于水流充实非常不利。

图7喷嘴速度等值线图( 10mm)Fig．7 The Velocity Vector of the．1et at L0 is 1 0mm图8喷嘴速度等值线罔(LF50mm)Fig．8 The Velocity Vector of the Jet at厶l is 50ram水炮喷嘴直线段长度为50,nm sqfl9速度等直线图，如同 8所示。对比罔7可以很明 的看m其水流非常充实， 壁面的约束，喷出的水柱呈非常规则的柱状。同时当A线段过长时，炮头存做直流／喷雾转换时所需要运动的距离也过长，增加消防人员存操作消防水炮的过程中的负担，与设计初衷不符。l大j此设汁时需综合考虑喷嘴出口直线段长度 对射流特性的影响。

4．2喷嘴开度D 的影响(a)D2=2mm (1)D~4,nm 【‘’)D~6mm图9喷嘴在不同开度下的速度矢最图Fig．9 The Velocity Vector of the Jet under’Diferent Diamter of D2喷嘴的开度 D 指的是喷嘴芯和导流喷嘴之『白】的距离。开度为 2mm、4mm和 6ram时消防水炮喷嘴速度矢姑图，如冈 9所爪。

由图可知，开度为 2mm的喷嘴，速度变化较为平稳 当开度为4ram时，速度矢量变化比开度为 2ram时明显变大。在开度为6mm时，m口处已经快形成漩涡。这表明开度变大时，对消防水炮射流质量的影响在变大 ，在喷嘴出El处容易形成漩涡，这样造成消防水炮射流的不稳定。

4．3喷嘴内径D 的影响分别对不同喷嘴内径的喷嘴内部流场进行数值模拟仿真，直径分别为 60mm、80mm、90ram时，如图 10所示。消防水炮的喷嘴在 方向的速度矢量图。在入口段 ，直径为60mm的喷嘴在拐角前一段比较平稳，而随着喷嘴直径的加大，人口段前的水流H；现了一些扰动。在喷口处 ，开度相同情况下，喷嘴的喷射比较平稳，随着直径的增大，速度也逐步增大。

(a)，J1=60mm (b)Dl=80mm 【e)Dl=90n,m图 10喷嘴在不同内径下的速度矢量Fig．1 0 l'he Velocity Vector of the Jet under Diferent Diametel of Dl5结束语设计了一种直流射流和喷雾射流两用型隔爆消防水炮炮头。

采用Fluent软件对喷嘴直流射流和喷雾射流的速度场进行 _『仿真分析，仿真结果基本达到预期效果。具体分析了消防水炮炮头喷嘴?f l白哉段长度、喷嘴肝度及喷嘴内径等结构参数对射流特性的影响 结果表HJ{：喷嘴伸l叶J线长度过短，则水流不够集中，喷射 喷嘴后一段距离会发散，反之，容易造成水流动能损失过大，影响射流速度。喷嘴开度越大，喷嘴出口处易产生漩涡，且动能损失越大。喷嘴内径越大，越容易在喷嘴出口处产生漩涡，且湍流程度越大。

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