消防水炮稳流器结构对射流特性的影响分析
胡国良, 刘世鸿, 李刚, 徐明
华东交通大学 机电工程学院, 江西 南昌 330013

作者简介:胡国良(1973—),男,江西南昌人,教授,博士,主要从事消防理论与技术、流体传动及控制方面的研究与教学工作。

摘要

消防水炮稳流器结构对改善消防水炮水射流性能有着至关重要的作用。为了研究稳流器结构对消防水炮射流特性的影响,以消防水炮流道为研究对象,采用Fluent流场仿真软件对比分析了消防水炮炮头中安装及未安装星形稳流器对水射流性能的影响。同时,设计了一种多矩形稳流器结构,将其安装于消防水炮流道弯管的出口处;仿真分析了同时安装多矩形稳流器和星形稳流器的消防水炮出口水流流动状态。仿真结果表明该稳流器结构对于改善消防水炮内部水流流动状态有显著的效果,初步实验也证明同时安装多矩形稳流器和星形稳流器能明显提高消防水炮射程。

关键词: 消防水炮; 多矩形稳流器; 星形稳流器; 射流特性; 流场仿真
中图分类号:TH137 文献标志码:B 文章编号:1000-4858(2015)07-0041-06
Effects of Straightener Structure of Fire Water Monitor on the Jet Performance
HU Guo-liang, LIU Shi-hong, LI Gang, XU Ming
School of Mechatronic Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang, Jiangxi 330013
Abstract

The straightener structure plays an important role in improving the jet performances of the fire water monitor. In order to investigate the effects of straightener structure on the jet performance of the fire water monitor, the flow channel of the fire water monitor is selected, and the effects of the monitor head with or without a triangle straightener equipped on the water jet performance is analyzed in Fluent. Meanwhile, a new type of multi-rectangular straightener is also proposed and installed at the outlet port of the monitor bend pipe, and simulation is carried out to investigate the flow state of the fire water monitor with multi-rectangular straightener and triangle straightener together. The simulation results show that the fire water monitor with multi-rectangular straightener and triangle straightener has an obvious effect on improving the flow state in the flow channel, and the preliminary experimental tests also show that the new structure can improve the jet range effectively.

Key words: fire water monitor; multi-rectangular straightener; triangle straightener; jet performances; flow simulation
引言

作为一种典型的消防灭火装置, 消防水炮具有射程远、流量大及灭火效率高等优点。消防水炮可把具有一定压力的水流转换为动能, 以很高的速度从水炮喷嘴喷出, 起到一定区域内喷射灭火的功能[1]。其中, 消防水炮炮身流道是实现水流能量转换的主要部件。消防水炮自身结构中一般均带有俯仰和水平两个回转机构, 其内部水流经过流道时会产生剧烈的旋转, 形成紊流造成能量损失。因此如何减小流道内的紊流, 提高消防水炮的能量转化效率一直是消防水炮研究的重点和热点[2, 3, 4]

水流通过消防水炮弯管时形成的湍流和横向紊流要在相当长的水流段内才能稳定下来, 为了尽快消除紊流, 缩短喷管长度, 通常在消防水炮流道内安装稳流器。稳流器的实质是将整个流道内的水流分为数股小水流, 增加横向水流碰壁的机会, 降低水流的雷诺数, 从而达到消除湍流使水流平稳顺利的目的[5, 6]

合理选择稳流器的结构形式和安装位置对稳定消防水炮内流体的流动状态, 提高消防水炮的有效射程具有重要的意义。王红霞等人探讨了消防水枪中稳流器的结构形式、特点及主要参数设计原则, 实验观测认为蜂巢型稳流器具有较好的效果[7]。向清江等人设计了三种截面积近似相等的稳流器, 经仿真模拟研究证明弹尾形稳流器对消防水炮流道产生的能量损失最小, 稳流器表面积和长度对稳流效果均有影响[8]。严海军等人通过试验获得不同弹尾形稳流器对摇臂喷头水力性能的影响, 得出稳流器长度与阻力损失成正比的结论, 同时分析了稳流器对喷嘴流量系数的影响[9]

利用计算流体力学CFD软件, 可以对消防水炮流道进行仿真分析, 在计算机上实现水流流动状态的可视化[10, 11]

图1所示是一种典型的消防水炮, 该消防水炮加工完成后喷水时发现, 由于未在炮头上安装稳流器, 射流效果不好。经改进后在炮头入口处安装星型稳流器, 射流性能有了明显的改进, 但还未达到理想效果。基于此, 设计一种新型的消防水炮多矩形稳流器结构, 在生产实践基础上, 通过流场仿真分析探讨不同稳流器结构及其安装方式对消防水炮射流性能的影响, 并通过现场试验进行初步验证。

图1 典型的消防水炮实物图

1 消防水炮流道射流特性建模分析
1.1 流道模型的建立及网格划分

根据图1所示的消防水炮结构, 采用Pro/E三维设计软件建立如图2所示未加稳流器的消防水炮流道模型(简称模型1)。该消防水炮流道是由普通的U型水炮改进而来的。模型流道截面为圆形, 直径为65 mm。 水炮每个弯管的曲率半径均为75 mm。由于需要安装喷嘴芯, 炮头出口段的管道直径增大10 mm, 为 75 mm。

图2 消防水炮流道模型

建立好三维实体模型后, 导入Fluent前处理软件Gambit中进行网格划分。为了保证网格划分的最佳效果, 采用Gambit默认的非结构化网格形式划分, 单元类型为Tet/Hybrid。图3所示为划分好的消防水炮流道内部结构网格图。

图3 消防水炮流道网格划分

1.2 模型求解及结果分析

网格划分好后, 将其导入Fluent处理器, 开始定义模型。消防水炮系统中, 水流流入消防水炮之前已经为充分发展的湍流, 另外流道弯管处截面变化较大, 更加剧了湍流现象, 所以定义为湍流模型。湍流模型采用k-ε 模型。边界条件设置进口边界设为压力进口, 设定压力为1.0 MPa, 出口边界设为压力出口, 压力为0, 其它边界为非滑移固体壁面, 速度为0, 压力梯度为0。设置迭代100步, 结果显示已收敛。

图4所示为模型1流道壁面压力分布图。由图4可知, 流道弯管处流体压力分布不均匀, 弯管外侧压力增大, 内侧压力减小, 甚至产生负压区。这是因为流体流经弯管时, 在外壁流速受阻减慢, 出现压力集中; 内侧流体在惯性作用下流速加大, 出现分离现象。在不均匀的压力作用下, 流体的流动状态也会非常不稳定, 造成水流能量的损失, 这种现象会随着水流速度的增大而更加明显。

图4 模型1流道壁面压力分布图

水流从炮头出口处的湍流程度对消防水炮的射程有很大的影响, 出口处的湍流程度越低, 速度分布越均匀, 水流就不会过早的分裂, 可以达到较大的射程[12, 13]图5为模型1出口速度分布图, 从图中可以看出, 受到水炮流道弯管中水流不规则流动的影响, 水炮出口速度分布不均匀, 速度较高的水流相对集中于炮头出口的底部, 而出口的中部水流速度较低。在这样的初始射流速度场下, 水流射入空气后不能形成核心射流区, 水射流在空气受到空气阻力作用易破裂, 影响水流的射程。

图5 模型1出口流速分布图

2 消防水炮稳流器结构对射流性能的影响
2.1 星形稳流器对水射流性能影响

为了改善消防水炮出口流速分布状态, 可在消防水炮炮头入口处安装星形稳流器。星形稳流器是目前消防水炮中使用较为普遍的一种稳流器[14]。其叶片一般为3~4片, 本研究选用3叶片型星形稳流器。稳流器长度为30 mm, 叶片厚度为2 mm。稳流器中间部位安装螺栓与喷嘴芯固定, 安装在水炮炮头内, 直径为10 mm。图6所示为所设计的星形稳流器结构示意图。消防水炮流道水流流经星形稳流器后, 需要一段足够长的直流段稳定水流。根据生产经验, 稳流段长度L≥ 2d(其中d为炮身主体流道直径)。在本模型中, 稳流器前段距离消防水炮出口为160 mm。据此建立安装星形稳流器的流道模型(简称模型2), 星型稳流器安装位置如图7所示。

图6 星形稳流器结构示意图

图7 星形稳流器在消防水炮流道中的安装位置示意图

经过仿真得到如图8所示的模型2消防水炮炮头出口流速分布图。相比于模型1, 可以看出, 安装了星形稳流器的消防水炮出口处速度分布均匀, 速度较高的水流集中于炮头出口中部。这可以减小不同流速水流之间的摩擦带来的能量损失, 提高水流集中性。增加消防水炮的射程。

图8 模型2出口速度分布

为了更直观地观察星形稳流器的稳流作用, 可在模型2中取图7所示的A、B两个截面对水流流动状态进行观测, 分别得到如图9图10所示的A、B两截面的速度场分布。由图9和10可明显看出, A截面处未经星形稳流器整流的水流速度分布极不均匀, 水流速度由流道外侧至流道内侧逐级减小, 各层之间会出现湍流。星形稳流器的作用在于阻止横向水流的发展, 所以在图10中截面B水流被分为三部分, 每部分水流流速均匀, 稳流效果较明显。

图9 模型2截面A处流道速度分布图

图10 模型2截面B处流道速度分布图

2.2 双稳流器结构对水射流的影响

图8的模型2出口流速分布可以看出, 星形稳流器对消防水炮的射流性能有一定的改善, 但结果仍未达到理想状态, 炮头出口速度仍存在一定的不均匀度。为了进一步优化消防水炮出口速度分布效果, 在星形稳流器的基础上, 可以在炮身流道内再增加一个稳流器, 使水流进入星形稳流器之前达到较稳定状态。由前面分析可知, 水流在经过炮身结构中的2个90° 弯管和1个180° 弯管后, 在第三个弯管的出口处径向紊流程度最大, 所以将稳流器安装在此位置, 利用出水管的一段直管, 使水流在进入炮头前达到稳定。

本模型在弯管出口处采用的稳流器为多矩形稳流器, 其结构如图11所示。稳流器由3片叶片焊接而成。为了尽早稳定从弯管流出的水流, 多矩形稳流器的安装位置应该尽量靠近消防炮出水管弯管。多矩形稳流器长度为25 mm, 后端处于弯道出口处。据此建立如图12所示的由多矩形稳流器和星形稳流器共同组成的双稳流器流道模型(简称模型3)。

图13为仿真后得到的模型3流道出口速度分布图, 相比于模型2, 从图13中可看出模型3出口速度均匀度进一步提升。这样水流射入空气后可以保持较长距离的核心区域, 水流不易扩散, 射程远, 从而有效扩大了消防水炮的灭火区域。

图11 多矩形稳流器结构

图12 多矩形稳流器在流道中的安装位置

图13 模型3出口速度分布图

图14为模型3截面A处的出口速度分布图, 从图中可明显看出水流被多矩形稳流器分成六股小水流, 虽然每股水流之间流体速度不同, 但每股水流内部流动均匀, 这样水流经过多矩形稳流器与星形稳流器之间的直管的整流可以达到较高的稳定状态, 减少了水流能量损失。

图14 模型3截面A处出口速度分布图

图15图16分别为模型3流道出口处轴向截面C的速度场分布图和压力场分布图。从图15可以看出, 水流流动时受到稳流器的影响, 在稳流器的前段和末端均产生了一定的涡流现象, 说明稳流器本身结构会对水流造成干扰。但从水流流动的整体状态来看, 水流在A段受到弯管的影响, 速度的变化较大。流经多矩形稳流器后, 在两个稳流器之间的直管段(B段), 水流的流动状态逐渐趋于稳定。C段的水流经过了两个稳流器的稳流作用, 可以看出经过星形稳流器后, 水流在炮头出口处的速度分布均匀, 速度场达到了较为理想的状态。从图16可以看出, 水流流经稳流器后, 除了在C段因流道的形状变化带来的压力变化外, B段压力分布均匀, 说明水流的压力能已经转化成了动能, 压力不再突变, 湍流基本消失。

图15 流道出口段轴向截面速度分布图

图16 流道出口段轴向截面压力分布图

3 不同稳流器结构对射程影响的实验分析

通过对未加稳流器(模型1)、增加星形稳流器(模型2)以及增加多矩形稳流器和星形稳流器(模型3)的三种消防水炮流场仿真分析可知, 稳流器结构对减少消防水炮流道内部的紊流现象以及优化初始速度场有非常重要的影响。因此在消防水炮设计时应重点考虑稳流器结构的设计及安装。表1为两种稳流器的结构参数及在流道中的安装位置。图17所示为分别安装了多矩形稳流器和双稳流器的消防水炮的实物图。

表1 两种稳流器在消防水炮中的安装位置

图17 稳流器在消防水炮中的安装实物图

为了验证双稳流器结构对消防水炮射程的改善效果, 对安装不同结构稳流器的消防水炮进行了实验分析。实验在平坦场地进行, 实验时风速小于2 m/s, 得到了消防水炮在安装星形稳流器(模型2)与同时安装多矩形稳流器和星形稳流器(模型3)的消防水炮在不同进水压力下的流量及射程实验数据, 如表2所示。

表2 不同进水压力下的射程

表2可看出, 在三种典型的消防水炮入口压力下, 增加了多矩形稳流器的消防水炮相对于仅安装星形稳流器的消防水炮射程均有较大的提高。在三种压力下, 模型3的射程比模型2的射程分别增加了7.5 m, 8 m和9 m, 射程均提高了11%左右, 达到了消防水炮的设计要求。同时, 由前面的流场仿真结果也显示出安装了两种稳流器的消防水炮具有较好的稳流效果, 减小了流道弯管带来的能量损失, 在炮头出口处形成了分布较为均匀的速度场, 对于提高水炮的射程也有非常明显的效果。因此, 在不增加较大制造成本的基础上, 安装两种稳流器的消防水炮可进一步提高消防水炮的射流效果。另外, 在0.6 MPa和0.8 MPa的工作压力下, 消防水炮的射流状态稳定。消防水炮入口压力为1.0 MPa时, 射流引起的后坐力较大, 射流状态不如0.8 MPa时稳定。

5 结论

采用流场仿真软件Fluent对未加稳流器(模型1)、增加星形稳流器(模型2)以及同时采用多矩形稳流器和星形稳流器(模型3)的三种消防水炮流道的内流场进行了仿真分析。仿真结果表明, 同时采用多矩形稳流器和星形稳流器可以有效减少消防水炮流道内的能量损失, 稳流效果好。同时, 实验结果表明同时采用多矩形稳流器和星形稳流器能有效提高消防水炮的射程, 可满足实际消防灭火要求。

The authors have declared that no competing interests exist.

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