直流式消防水炮喷嘴内流动特性的数值研究
2017-08-23童丕荣
童丕荣
摘 要：采用标准湍流模型，用Fluent软件模拟研究了直流式消防水炮喷嘴内流场的速度和压力分布规律的影响。研究结果表明：直流式消防水炮喷嘴在临近出口处存在较大的压力梯度和速度梯度，在出口后形成较大的卷吸角，影响射流长度，收缩角在13°～40°内，随着收缩角的增大，流量系数逐渐减小。
关键词：数值模拟 直流式消防水炮 喷嘴 射流
中图分类号：TU998.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（a）-0091-02
直流式消防水炮具有大流量、远射程的优点且喷嘴造型简单，加工比较容易，被广泛装备使用[1]。喷嘴是消防水炮最重要的结构之一，喷嘴内部的流动状态对射流的稳定性、速度的均匀性、方向性和轴向静压梯度等产生重要影响，进而影响射流的射程。
随着对消防水炮性能的要求越来越高，人们为此展开了广泛的研究。KA Salam等[2]研究了消防炮的水力特性，分析了喷嘴出口边界与内部流动状态以及结构、流量参数和射流射程的关系并得出了消防炮射流射程的理论表达。Christopher等[3]分析了水炮喷嘴流动边界层厚度对水炮射流性能的影响，推导出了描述水炮射流起始段核心流域长度的表达式并通过实验对结果进行了验证。Grahame等[4]研究了炮身几何形状对消防炮性能的影响，发现炮身轴线与主管道弯管的轴线在同一竖直面内时，可有效减少后座产生的力矩，防止水炮出现自旋转。
1 物理模型
消防水炮喷嘴的主要结构包括：主管道直径D，出口直径d，收缩角α，收缩段长度L。设计参数依照PS50型消防水炮：工作压力1.0 MPa，额定流量50 L/s，主管道D=80 mm，喷嘴出口d=38 mm[5]。收缩段长度L由α确定，α取值为13°～40°，分别建立不同的收缩角喷嘴模型（图1）。
2 数学模型
采用ICEM软件创建三维模型并划分结构化网格， Fluent模拟边界条件设置为：进口条件采用压力进口，为1 MPa，出口采用压力出口，设置为大气压力，壁面选择无滑移壁面条件。计算采用分离隐式求解器，压力场和速度场的耦合采用SIMPLE算法，迭代的压力、动量和湍流度均采用二阶迎风格式，各变量的收敛残差设置为10-4。
3 计算结果分析
图2和图3分别为喷嘴数值模拟的静压云图和速度云图，由图2可以看出，入口段压力降低比较平缓，越接近出口压力梯度越大，到出口截面压力降低很剧烈，过大的压力梯度不利于保持流动的稳定性；图3速度云图可以看出，出口附近速度梯度很大，导致形成很大的卷吸角，不利于射流的集中。从而可以得出，直流式消防水炮喷嘴在临近出口处存在较大的压力梯度和速度梯度，不利于保持射流的稳定性。
图4为不用收缩角的流量系数，从图中可以看出，当收缩角为13°时流量系数最大为0.95，随着收缩角的增大，流量系数逐渐减小，因此为了保证直立式消防水炮的射流流量，收缩角应尽量选择13°。
4 结语
该文用数值模拟实验的方法研究了直流消防水炮喷嘴内流场的速度和压力分布规律的影响，主要研究结论如下。
（1）直流式消防水炮喷嘴在临近出口处存在较大的压力梯度和速度梯度，在出口后形成较大的卷吸角，影响射流长度。
（2）收缩角在13°～40°内，收缩角为13°时流量系数最大0.95，随着收缩角的增大，流量系数逐渐减小。
参考文献
[1] 施哲夫.远射程消防水炮喷嘴设计及内部流道优化[D].江苏大学，2016.
[2] KA Sallam，Z Dai，GM Faith.Liquid breakup at the surface of turbulent round liquid jets in Still Gases[J].International Journal of Multiphase Flow，2002，28（3）：427-449.
[3] Christopher Ornokhowa Logan.Trajectory of liquid jets exposed to a low subsonic cross airflow[D].University of Manitoba，2006.
[4] GRAHAM E，MEHRPOUYA M，PARK S S.Robust Prediction of Chatter Stability In milling Based on the Analytical chatter stability[J].Journal of Manufacturing Processes，2013，15（4）：508-517.
[5] GB 19156—2003，消防炮通用技術条件[S].
[6] Patankar SV.Numerical heat transfer and fluid flow[M].New York：Mc-Graw-Hill，1980.
