两种不同结构的消防炮性能对比分析*

刘平安，廖小东，王 铨

(华东交通大学机电工程学院，江西南昌 330013)

两种不同结构的消防炮性能对比分析*

刘平安，廖小东，王 铨

(华东交通大学机电工程学院，江西南昌 330013)

在相同参数条件下，分别对串、并联结构消防炮流道引起的压降及喷嘴出口速度进行分析计算，并用FLUENT和Simulink对这两种不同结构消防炮的压力场和射流轨迹进行仿真分析。在不同流量下，分别对两种结构消防炮的压降和射程进行对比研究。通过综合比较得到并联结构比串联结构消防炮在降低压降、提高消防炮射程等方面具有优越的性能，为设计开发大流量、远射程、高能效的并联结构消防炮提供理论依据。

并联结构消防炮;射流轨迹;流场仿真

1 引言

随着高层、超高层建筑日益增多，对消防炮的射程要求也越来越高［1］。传统消防炮由于利用蜗轮蜗杆改变喷射方向，采用如图1所示的串联结构实现水平和俯仰回转运动，使消防流道呈现多个直角弯曲，由此使得流道内水流湍流程度增加造成压降和能量损失增加从而降低水炮射程，直接影响灭火性能。

图1 串联结构消防水炮

为提高消防炮的性能，国内外许多学者做了相关的研究，如对三维湍流数值模拟和内部结构流场分析等［2］。但对消防炮弯曲流道结构还未有改进，因而对于提高消防炮工作性能作用依然十分有限。通过机构创新设计，采用并联机构的方式，使用直管流道代替弯管流道成为可能，如图2所示。以此减少水炮压力损失，降低水炮内的湍流程度，提高消防水炮的射程，对远射程消防炮的开发设计有着重要意义。

图2 并联结构消防水炮

2 串与并联结构消防炮流道沿程压降的计算

消防水炮在确定了流量和初始压力的情况下，流道沿程压降越小，则出口处获得压力越大。喷嘴直径确定时，射程随着压力的提高而增大。压降大反应了压力的波动大，说明水流的不稳定，造成动量和能量的损失，降低消防水炮的射流性能。

2.1 并联结构消防炮直管流道沿程压降计算

根据流量守恒定律计算消防炮进口速度:

式中:A为流道截面，A=πd2/4(m2);v为水炮进口速度，m/s;q为水炮流量，m3/s。

根据雷诺数计算公式:

式中:ω为水的运动粘度1.003×10－6m2/s;d为流道内径，m。由式(1)、(2)可计算水炮入口水流雷诺数大小，根据临界雷诺数Rek的大小可判断水流处于层流或是紊流状态。

由压强变化公式:

式中:ρ为流体密度，kg/m3;ξc为直管流道综合阻力系数:

式中:l1为并联结构消防炮直管流道长度，m。直管流道中的沿程阻力系数λ可查莫迪斯图［3］并利用线性插补法计算。

2.2 串联结构消防炮弯管流道沿程压降计算

用ξc'代替式(3)中ξcc得弯管流道压强Δp2，其中:式中:l2为弯管流道中直的部分总长度，m;ξi为局部水头损失阻力系数，ξi经验计算公式为:

式中:R为弯管轴心的曲率半径，m;θ为弯管方向变化角，(°)。

3 实例计算及FLUENT流道压力变化仿真

3.1 串联与并联结构消防炮流道压降实例计算

采用文献［4］中介绍的传统固定式消防炮实例。相关参数如下:流量:q=0.1 m3/s;射程:L≥85 m;水炮内径d=0.104 m;曲率半径R=0.1 m;额定工作压力P=1 MPa;弯管流道总长度l1=1.773 m;喷嘴截面积A1=0.003 075 m2;弯管流道中直的部分长度l2= 1.145 m。

在流量、内径、额定压力、流道总长和喷嘴截面积相同条件下，分别对串联与并联结构消防炮的流道沿程压降进行计算。根据前面的计算公式和相关数据。计算结果如下:

3.2 串与并联结构消防炮流道压力场仿真

3.2.1 流道建模

为了验证前面理论计算结果的正确性并分析两种不同结构消防炮流道内的压力变化，现利用FLUENT流体仿真软件对流道进行仿真分析。

创建三维模型。进行网格划分时，由于流道内壁附近阻力较大，所以先利用gambit软件对流道划分边界层。通过计算判断水流为湍流状态，采用k－ε模型，用二阶迎风格式计算［5］。采用压力入口和压力出口边界条件，流体为水，初始化入口表压1 MPa，将入口初速度11.778 m/s转换为动压计入总压进行设置。

3.2.2 流道内压力变化仿真对比分析

经过FLUENT的迭代计算，残差收敛，得到串联结构消防炮弯管流道的压力变化云图，如图3所示

流道进出口总压结果显示如下:

总压包括静压和动压，最终压力损失为进口总压减去出口总压，得到压力损失为0.106 900 MPa。并联结构消防炮直管流道的压力变化云图如图4所示。

图3 串联结构消防炮流道压力云图

图4 并联结构消防炮流道 压力云图

流道进出口总压结果显示如下:

通过计算可知并联结构消防炮流道压力损失为0.020 808 MPa。

比较图3和图4，串联结构消防炮流道内部压力变化较大，特别是弯道处是导致压力损失和涡流产生的主要原因。由于流体作用，弯道的内侧存在较大的负压，相反外侧为较大的正压，这种内外受压分布不均将影响管道的使用寿命。相比并联结构消防炮，直管流道内部压力变化较小且无局部突变，从水流的入口处到出口处压力逐渐减小，使得内部引起的紊流较小，流场稳定性更好，流体射流到空气中后不容易发散，有利于提高消防水炮的射流性能。理论公式计算的压力损失与仿真得到的压力损失比较，两者相差较小，验证了理论计算结果的正确性，表1所列为计算仿真数据。

表1 理论计算与仿真数据

3.3 串联与并联结构消防炮射程仿真

3.3.1 串联与并联结构消防炮射流速度的计算

假设不考虑水流经喷嘴的能量损失，根据伯努利方程:

式中:α1、α2为修正系数，取1;Pin为入口压强，相对大气压强为1 MPa;Pout为大气压强，相对于自身为0 MPa;射流出口在同一水平面内，所以z1、z2都等于零，将压力损失转换成水头损失hw计算，1 MPa相当于100 m。出口速度使用两者平均压降损失计算。将数据代入式(7)得:

vout1=45.81 m/s，vout2=43.96 m/s

3.3.2 串联与并联结构消防炮射流轨迹仿真

消防炮射程受到进口压力、流量、俯仰角、流道结构和风速等的影响。当水射流到空气后，在俯仰角和外界环境相同的情况下，水射流的出口速度决定着消防炮的射程。水炮仰角为30°，利用Simulink得到串、并联结构消防炮的射流轨迹［6］，如图5所示。

图5 串、并联结构消防炮射流轨迹图

通过表2可知，并联结构消防炮比串联结构消防炮在垂直和水平射程均有一定的提高。对于大流量大射程的消防炮，随着压力和流量的增加，并联结构消防炮的优越性将更加明显。

表2 消防炮水平与垂直射程 /m

4 不同流量下串与并联结构消防炮性能分析

为了比较在不同流量条件下串、并联结构消防炮性能的差异，根据《消防炮通用技术条件》中的消防炮性能参数设置对两种结构的消防炮性能进行研究［7］。结果如表3所示。并根据不同流量串、并联结构消防炮对应的射程作图，如图6所示。

表3 不同流量串与并联结构消防炮性能表

图6 不同流量串与并联结构消防炮对应射程

分析表3和图6可知:在不同流量的条件下，串、并联结构消防炮随着流量的增加压力损失增大，并都呈一定的线性关系增加。流量较小时，两种结构水炮的射程相差不大，随着流量的增加，水炮射程增加。但并联结构水炮的射程增加的幅度比串联结构水炮要大，证明了在设计大流量大射程消防炮时并联结构消防炮的优越性。

5 结语

通过对串、并联结构消防炮流道压降进行对比分析，运用Fluent和Simulink分别对两种不同结构消防炮压力场和射流轨迹进行仿真分析可知:

(1)在参数相同的条件下，并联结构消防炮比串联结构消防炮流道压力损失要小，并随着流量的增加串联结构消防炮比并联结构消防炮流道损失的压力越大。

(2)对于串联结构消防炮，流体在流经流道的弯道时出现压力突变，内外侧受压分布不均匀，影响管道的使用寿命。与并联结构水炮相比，串联结构水炮的弯道将增加流体的湍流强度，影响水炮的射流稳定性和集中性，从而降低了水炮的射流性能。

(3)由于串联结构水炮流道压力损失大，使得在相同流量条件下，串联结构比并联结构消防炮的射程要小，随着流量的增加，并联结构消防炮射程增加的幅度越大。

(4)从控制角度分析，每个运动采用单独控制的并联结构比运用涡轮蜗杆控制的串联结构的消防炮更加灵活，减小反应时间，提高灭火效率。

综上所述，并联结构消防炮采用直管流道，传统串联结构消防炮采用弯管流道，前者比后者更能够有效的提高消防水炮的工作性能，为设计大扬程、高效率、大流量的消防水炮提供了新的思路。

［1］ 俞毓敏.大射程水炮设计及研究［D］.南京:南京理工大学，2011.

［2］ 刘德民，刘小兵，王 靖，等.WSTSKP数控消防炮的结构与流场分析［J］.消防科学与技术，2007，26(4):430－432.

［3］ 林建忠，阮晓东，陈邦国.流体力学［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［4］ 陈伟刚.固定式消防水炮结构参数优化及其水力学性能研究［D］:南昌:华东交通大学，2010.

［5］ 魏亚飞，杨晓京，谢 军.一种新型微泡发生器的流场仿真研究［J］.机械研究与应用，2008，21(5):17－18.

［6］ 孙 健.消防炮射流轨迹的研究［D］.上海:上海交通大学，2008.

［7］ 消防炮通用技术条件［S］.GB 19156－2003，2003.

The Performance Comparative Study on Two Different Structure of Fire Monitor

LIU Ping－an，LIAO Xiao－dong，WANG Quan
(School of Mechatronics Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangχi 330013，China)

The pressure drop and outlet flow velocity of series and parallel structure fire monitor are calculated and compared under the condition of same performance parameters.Pressure field is simulated by using FLUENT and jet trajectory is simulated by using Simulink.Finally，the two structure fire monitor's pressure drop and jet trajectory are studied and compared under the condition of different flow.Through comprehensive comparison，parallel structure fire monitor is more superior performance than series structure fire monitor in terms of reducing energy consumption and increasing the firing range，which provides theoretical basis for designing and developing large flow，long－range，energy－efficient parallel structure fire monitor.

parallel structure fire monitor;jet trajectory;flow field simulation

TV131

A

1007－4414(2013)05－0016－03

2013－08－23

江西省科技支撑计划项目:基于并联结构的消防炮设计与开发(编号:20122BBE500041)。

刘平安(1962－)，男，江西萍乡人，教授，博士，主要从事机械设计、机构学、机器人机构学研究方面的工作。