廖曉鋒

摘要：本文介紹了從消防滅火實(shí)際需要出發(fā)，結(jié)合具體實(shí)例著重分析了消防炮噴嘴流道結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，給出了提高消防炮射水充實(shí)段長度的噴嘴結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：消防水炮;噴嘴結(jié)構(gòu);射水充實(shí)段

一、概況

消防炮在消防滅火領(lǐng)域中是十分重要的裝備，因其較低的成本及高效環(huán)保的滅火效能而得以廣泛運(yùn)用。消防炮種類較多，按噴射介質(zhì)分類可分為消防水炮、泡沫炮、干粉炮，按控制方式可分為手動(dòng)、電控、液控消防炮。在現(xiàn)行消防炮國家標(biāo)準(zhǔn)中消防炮的主要性能指標(biāo)為流量、射程、額定工作壓力等，對(duì)其射水集中度（即本文所述射水充實(shí)段）未作要求，如果采用自動(dòng)跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，提高消防水炮的射水充實(shí)段長度就顯得非常重要了，一是可增加射程，二是可實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的射流定位，實(shí)現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)早撲滅初期、局部火災(zāi)。本文以電控消防水炮為例，研究其噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)射流水柱充實(shí)段長度的影響，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲得較好的噴嘴射流結(jié)構(gòu)，提高射水充實(shí)段長度。

二、優(yōu)化噴嘴前的射流狀況

本文以PSKD30電控消防水炮的充實(shí)水柱型噴嘴為例進(jìn)行分析，其主要參數(shù)為額定工作壓力1.0MPa，流量30L/s，射程55米（優(yōu)化噴嘴前），炮與地面傾角35°。經(jīng)測(cè)試，距炮噴嘴2米處射流水柱開始明顯擴(kuò)散，距噴嘴15米處其水柱橫截面直徑已達(dá)1.1m，在其最大有效射程55米處落水點(diǎn)已散布為橫向約4.5m，縱向約8m的一個(gè)較大范圍的橢圓，顯然對(duì)自動(dòng)跟蹤定位射流滅火需要準(zhǔn)確的落水點(diǎn)來說是非常不理想的。

在高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范中，對(duì)消防水槍的射水充實(shí)段提出了要求，不應(yīng)小于13米，如下圖1所示，但在消防炮相關(guān)規(guī)范中對(duì)射水充實(shí)段長度未作明確要求。

三、充實(shí)水柱型噴嘴的非淹沒射流結(jié)構(gòu)分析

（一）射流過程及結(jié)構(gòu)

非淹沒射流是指噴嘴水射流直接射入空氣中，圖2所示為非淹沒射流結(jié)構(gòu)，

射流流體從噴口射出時(shí)流速為u0，均勻分布，當(dāng)流體離開噴口后，在引力、空氣阻力以及擾動(dòng)的作用下，與周圍流體之間出現(xiàn)不連續(xù)間斷面，且不穩(wěn)定，產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)。流體質(zhì)點(diǎn)的橫向脈動(dòng)把相鄰的靜止空氣流體卷吸到射流中來，在動(dòng)量交換過程中速度減緩下來，使速度仍保持為u0 的射流核心區(qū)沿程逐漸縮小，以至流經(jīng)一定距離后即行消失。在外邊界與核心區(qū)域之間，射流截面上的速度由零增大到u0。

在射流表面動(dòng)量傳遞到空氣中，水滴的速度下降，減慢的水滴開始與射流主體脫離，根據(jù)能量守恒定律，另一個(gè)引起射流進(jìn)一步分化的因素：大氣壓力 ;射流中壓力? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，可見射流中的壓力低于大氣壓力，在這個(gè)壓力差作用下空氣會(huì)更多的進(jìn)入到射流中，射流的瓦解就進(jìn)一步擴(kuò)大，這個(gè)過程是逐漸的無法抗拒的自然過程。

（二）射流穩(wěn)定性分析

射流密實(shí)段與其射流穩(wěn)定性有關(guān)，穩(wěn)定的射流其密實(shí)段就長，因而其射程也較遠(yuǎn)，射流的穩(wěn)定性（破裂長度）用以下公式來表述。

四、噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

（一）影響射流穩(wěn)定性的主要幾何參數(shù)

在額定工作壓力及流量一定的情況下，炮噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了射流的穩(wěn)定性。影響射流穩(wěn)定性的主要幾何參數(shù)：

（1）收縮角 θ; （2）縱橫比? ?;收縮比? ?;（3）噴嘴內(nèi)流道流線型計(jì);（4）噴嘴內(nèi)壁的粗糙度;（5）整流裝置的設(shè)置。

這些因素中，當(dāng)炮的工作壓力及流量按標(biāo)準(zhǔn)確定后，D及d就基本確定了;能優(yōu)化的參數(shù)就只有θ、L及整流裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)。粗糙度靠加工來保證。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，本噴嘴內(nèi)采用如圖3整流裝置，將流道橫斷面分隔成多個(gè)小部分，使水流徑向的能量盡快消失，減少湍流對(duì)射流穩(wěn)定性的影響。

本文所述噴嘴內(nèi)采用圖3所示整流裝置結(jié)構(gòu)，整流芯將流道橫斷面分隔成多個(gè)小部分，使水流徑向的能量盡快消失，減少湍流對(duì)射流穩(wěn)定性的影響。

僅就炮頭而言，影響其射程及射流穩(wěn)定性的因素為θ，L及L1，這三個(gè)因素對(duì)射流穩(wěn)定性及射程有不同程度的影響，而且其影響是交互性的。因此，必須經(jīng)理論分析后通過實(shí)驗(yàn)來找到這三個(gè)參數(shù)的最優(yōu)組合。

（二）噴嘴幾何結(jié)構(gòu)

（三）炮頭內(nèi)部水流的仿真分析

通過選擇不同的θ，L及L1組合，通過仿真分析獲得不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下水流狀態(tài)，當(dāng)θ=13-15°且L=2-4d、L1≥150mm時(shí)可獲得較佳的炮口射流參數(shù)，較好地節(jié)省試驗(yàn)次數(shù)和成本。

五、試驗(yàn)驗(yàn)證方案及結(jié)果

從上表實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，射流穩(wěn)定，射水效果好的三因素分別為（2，1，2），即L=12mm，θ=13°，L1=155mm。PSKD30炮改進(jìn)后獲得了較好水柱充實(shí)段長度，見下圖4所示。壓力為0.8MPa時(shí)即可達(dá)到68m射程。與優(yōu)化前對(duì)比，射水呈明顯的充實(shí)性水柱，與仿真分析結(jié)果吻合。