徐捷，袁壽其，薛林，向清江*

(1. 江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013 ； 2. 應急管理部上海消防研究所，上海 200032)

消防水炮是指以水為介質并將水的壓力能轉換為動能進行射流的流體機械.為了適應更大的滅火劑流量，實現(xiàn)高效滅火，并有效保護救援人員人身安全，消防水炮需向大流量、遠射程、大型化的方向發(fā)展.而為了減小大流量消防炮安裝在消防車或船上時龐大的操作空間，需要結合消防水炮的流道結構、水力特性和噴射范圍等性能開展深入研究.

固定式消防水炮主要由炮管和噴嘴組成，對炮管流道和噴嘴的設計和優(yōu)化是固定式消防水炮性能研究的關鍵.目前的研究主要關注減少消防水炮內部流動損失，獲得良好的流動狀態(tài)，從而在相同水炮入口條件下達到最遠的射程.

薛林等[1]研究了固定式消防水炮的經濟流速上限，并對不同曲率半徑下傳統(tǒng)回轉、半回轉、大回轉3種結構炮管形式的內流特性進行對比，發(fā)現(xiàn)大回轉型水炮炮管具有結構緊湊且出口旋流強度小的特點.袁丹青等[2]對5種不同曲率半徑下的U型彎管流道內安裝導流片的位置和數(shù)量進行研究，發(fā)現(xiàn)曲率半徑小于流道半徑的情況下，在流道內安裝導流片可以降低管內湍流程度，在靠近內壁面的半流道內安放導流片可減少管內流體的旋轉和振動，單片導流片在炮管內的安裝效果比雙片導流片更優(yōu).袁曉明等[3]從射流穩(wěn)定性、結構設計與優(yōu)化和射流軌跡3個方面綜述了目前消防水炮研究過程中存在的局限性，并對未來消防水炮的發(fā)展進行了展望.胡國良等[4]提出流道結構影響系統(tǒng)的壓力損失和湍流程度，并能起到調節(jié)水流穩(wěn)定性的作用.姚強[5]對湍流波動、局部損失、沿程損失在影響流場穩(wěn)定的作用中所占的比重進行了分析，并針對主要的能量損失提出可行的導流板改進方案，以及對導流板的位置、數(shù)量和張角等因素進行了討論.王菁等[6]利用8種湍流模型以及曲率修正后的模型對不同雷諾數(shù)下U型彎管的速度、湍動能、湍流剪切應力、摩擦系數(shù)和靜壓力系數(shù)與試驗值進行對比，發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)較大的情況下，曲率修正對SKE湍流模型預測性能改善效果最好，模擬結果更準確.湛含輝等[7]研究發(fā)現(xiàn)彎管壓降受到主流速度、彎管彎曲程度等因素的共同影響.張小宇[8]通過在彎管處加入導流片和在出口段加入穩(wěn)流器來對炮身流道結構進行優(yōu)化，并基于流體力學的相似性原理，建立適用于消防水炮的相似性模型.石榮[9]對炮管內導流片和整流器2種消旋裝置進行研究，發(fā)現(xiàn)彎管內壁面附近為最佳導流片安放位置，對整流器截面形狀、整流器進出口處理方式、整流器長度進行分析對比，提出了雙層螺旋整流器及蜂窩型螺旋整流器能顯著提高水炮射程.陳偉剛[10]基于PS100型固定式消防水炮，對部分方形流道、全直角過渡流道、颶風流道和雙彎曲流道等4種流道形式的壓力場、速度場進行分析，方形流道的流道結構比圓形流道的流道結構在沿程阻力損失及彎管局部阻力損失大，流道過流截面突變的颶風形流道會產生較大的附加局部渦流，雙彎管流道由于彎管多，導致壓力損失增倍.方形流道速度場矢量變化較大，全直角過渡流道在轉彎處渦旋比較嚴重.由于轉彎比較急，颶風流道和雙彎曲流道速度矢量混亂，都不具有很好的水力性能.

綜上所述，對于消防水炮炮管結構和性能方面的研究多借鑒國內外對于彎管的研究[11-13]，關于炮管流道的研究主要關注流道內部設置不同結構的整流器和分布不同長度、數(shù)量和位置的分流片.而在炮管截面形狀方面的研究比較少，非圓截面形式的彎管對內部二次流流動具有影響，從而對流動損失、出口流態(tài)具有影響.RAO等[14]對比了圓形、橢圓形、淚珠截面的彎管流動特性.CHANDRATILLEKE等[15]對比了矩形和橢圓截面彎管內部流動，均獲得了流動損失略有改變但換熱性能獲得改善的結論.因此，水炮炮管截面的改變對性能的影響值得深入研究.

文中選取7種相同空間繞轉結構(大回轉結構)不同離心率橢圓截面的消防水炮炮管，分析流道的水力損失，進行出口流態(tài)對比分析，包括流體的旋轉特性、湍流特性以及流動均勻性等.

1 水炮主體彎管形式

文中研究的大回轉消防水炮設計流量Q為167 L/s，水炮炮管內徑d為180 mm，工作壓力為1.0 MPa.大回轉型消防水炮炮管主體結構都是由直管段和彎管連接組合而成，按入口至出口的沿程順序，流經的彎管度數(shù)分別為90°，180°，125°和35°.大回轉水炮炮管并非整個流道改為橢圓截面進行對比研究.為保證進出口與法蘭和噴嘴的連接，水炮炮管進、出口保持圓截面，其中進口直段位置安裝渦輪蝸桿傳動機構，用于水炮水平旋轉；在180°和125°彎管之間的直管段位置保持為圓截面，該位置安裝傳動機構實現(xiàn)水炮俯仰功能；流道第1個彎管也即90°彎管保持為圓截面，用于流道光滑過渡和連接.水炮炮管流道剩余的部分則更改為各種離心率的橢圓截面.橢圓截面與圓截面的過渡是采用Cero設計軟件建模而成，三維結構與參數(shù)示意圖如圖1所示.

圖1 消防水炮炮管三維造型和參數(shù)示意圖

為了避免后坐力的影響，出口法線與垂直的主體進口管軸線在同一平面內，水炮射流仰角為30°.橢圓型炮管在保證與圓形截面具有相同過流面積的情況下，選取3組不同離心率的橢圓截面，其中，橢圓截面按照壓扁方向的不同分為橫向壓扁和豎向壓扁，共7組水炮截面形狀如圖2所示.為便于區(qū)分，將7組不同截面形狀炮管命名為case1—case7，截面參數(shù)如表1所示,表中m為長半軸，n為短半軸，e為橢圓離心率，d為水力直徑.其中，case1為離心率為1的圓截面，隨橢圓離心率的增大，截面被壓扁程度增加.表中同一離心率下分成了橫向和豎向壓扁2種對比模型.橢圓截面水力直徑隨著離心率的增大而減小.

圖2 消防水炮炮管截面形狀示意圖

表1 不同截面大回轉型水炮炮管截面參數(shù)表

為了多方面地對比7種不同截面炮管的內部流態(tài)，分別選取流量Q為167，120，80 L/s這3種流量工況進行研究.主要計算參數(shù)如表2所示，表中u為炮體進口平均流速，Re為炮體雷諾數(shù).

表2 不同截面大回轉型水炮計算參數(shù)

2 數(shù)值模擬方法

采用Fluent軟件開展圖2中7種水炮炮管數(shù)值模擬．網格為六面體結構網格，湍流模型采用標準k-ε模型及標準壁面函數(shù)，邊界條件選用速度進口和壓力出口，壁面采用無滑移條件，在計算中采用二階迎風格式進行離散，計算收斂標準設置為10-5.

為了保證計算結果的穩(wěn)定性良好，在對大回轉型消防水炮模型劃分網格后，進行網格無關性檢驗.圖3為不同網格數(shù)N對水炮壓力損失Δp和出口湍動能k的計算結果.

圖3 消防水炮炮管網格無關性驗證示意圖

采用ICEM CFD軟件對水炮炮管模型劃分的網格數(shù)從117萬至378萬.圖4為消防水炮炮管計算網格示意圖.水炮主體壓力損失和水炮出口湍動能隨著網格數(shù)的增加逐漸升高后趨于穩(wěn)定，當網格數(shù)在235萬左右時，相鄰網格數(shù)的消防水炮計算差距越來越小，故對水炮劃分的網格數(shù)應不少于235萬，最終網格如圖4所示.

圖4 消防水炮炮管計算網格示意圖

3 不同截面形狀炮管對比分析

表3 不同截面大回轉型水炮計算結果對比

其中，湍動能在出口面上采用了面積加權平均，出口渦通量是對出口法向方向上角速度的積分，平均出口速度偏差計算式為

(1)

式中：ui為出口網格節(jié)點上的速度；N為出口面上網格節(jié)點數(shù)量;Ubulk為水炮炮管的質量平均流速.為便于比較，根據表3數(shù)據繪制圖5—8.

從圖5—8可看出，3種流量工況下，7種截面炮管總壓差、出口平均湍動能、出口渦通量、平均出口速度偏差值計算的結果存在差異，從總壓損失變化圖來看，圓截面炮管總損失最小，橫向橢圓截面壓力損失要高于豎向橢圓截面炮管，但總體差距不大.在最大流量下，總壓損失變化量最大，這是由于此時流道內平均流速最高，此時豎向橢圓截面相對于圓截面，壓力損失的增長變化不超過2.7%，因此認為，等面積約束下流道截面形狀改變后，總壓損失的小幅增長在水炮設計中是可以接受的，當總壓損失為關鍵參數(shù)需要考慮時，則可通過適當增大管徑來解決.

圖5 炮管壓力損失值Δp

從圖6來看，3種流量工況下，圓截面炮管出口平均湍動能最優(yōu)，隨著橢圓截面離心率的增大，橫向壓扁和豎向壓扁的炮管的平均出口湍動能均增大，而橫向壓扁的炮管增加趨勢較豎向壓扁的炮管更大，說明橫向壓扁更不利于出口流態(tài)的穩(wěn)定.這種規(guī)律在流量越大的情況下越明顯.

圖6 炮管出口截面平均湍流強度值

圖9為大流量167 L/s工況下，7個模型的出口湍動能分布圖.從圖可看出，炮管湍流達到充分發(fā)展狀態(tài)時出口截面的分布形態(tài)不同，圓截面炮管case1的出口湍動能集中在管軸線附近，而豎向橢圓截面炮管case2至case4的出口湍動能最大值越來越偏離中心位置，向右下方蔓延，橫向橢圓截面炮管出口湍動能較豎向和圓截面炮管增大明顯.隨著炮管離心率的增大，高湍動能區(qū)域向右上方偏移，向第2峰值靠近，說明相比較圓截面情況，橫向和豎向橢圓截面流道的改變，使出口面上的湍流脈動速度分量發(fā)生變化，壁面曲率的改變也對壁面附近湍流的發(fā)生發(fā)展具有影響.

出口渦通量J是衡量旋渦強度的參數(shù)，從圖7看出，豎向和橫向橢圓截面炮管隨著橢圓離心率的增大，旋渦強度均逐漸減小，參照表3中的數(shù)據可看出，case2的J值大于圓截面case1的J值，而case5的J值則是小于case1，說明相同的小偏心率橢圓截面下產生了不同的J值，則J值對壓扁流道的方向較為敏感.隨著壓扁流道程度的增加，對出口位置流體整體的旋渦抑制具有加強的作用，從而，豎向壓扁的J值(case2，3，4)從大于case1變化到小于case1，表明改變流道截面形式可減小流道出口位置的旋渦強度.

圖7 炮管出口截面渦通量J值

速度是衡量炮管水力性能優(yōu)劣的最重要的參數(shù).圖8為3種流量工況下平均出口速度偏差值變化圖，平均速度偏差值是出口速度偏差值的算術平均值，表征出口速度與平均值的偏差程度，從圖中看出，隨著豎向和橫向橢圓截面炮管壓扁的程度增大，豎向橢圓炮管出口速度偏差越來越小，說明速度分布更均勻，而橫向橢圓炮管出現(xiàn)相反的趨勢，從case5逐漸增大到case7，說明橫向壓扁后，出口速度偏差較大，速度發(fā)展不均勻，這也說明了壓扁流道的方向對出口速度均勻性影響明顯.3種流量工況下，速度變化規(guī)律具有一致性，而大流量工況下(167 L/s)，上述規(guī)律和趨勢最明顯.

圖8 炮管出口速度偏差值

圖9 不同截面炮管出口湍動能分布圖

為了更直觀地對比炮管出口的速度場，大流量下出口速度分布云圖如圖10所示.速度分布云圖顯示，7個不同截面炮管出口速度分布形態(tài)總體相差較小，均呈現(xiàn)高速區(qū)和低速區(qū)的分布不均，這是由于整體流道的繞轉形式帶來的結果，通過圖8數(shù)據值才能反映出均勻性的差異，也可通過徑向速度分布曲線進一步對比出口速度的均勻性.

圖10 不同截面炮管出口速度云圖

4 討 論

對3種流量工況下進口直徑為180 mm的大回轉結構水炮炮管進行了數(shù)值模擬研究，對炮管的流道進行了變截面設計，實際為一種圓截面和橢圓截面相結合的流道形式，橢圓截面的管道長度占總長度的比例較大.從數(shù)值模擬的精度上分析，所對比的7種模型數(shù)值計算結果差異明顯.對于空間連續(xù)彎管內流流動，固壁邊界約束的流體繞轉情況下，文中仍選取了標準k-ε湍流模型，是由于其具有高雷諾數(shù)下易于收斂的特點，而其他湍流模型計算獲得的炮管出口結果是否與文中一致值得深入研究.對于出口位置流動均勻性的評價指標，采用了網格節(jié)點上的速度算術平均的方法，雖然明顯反映出了圓截面與扁截面的差異，以及橫扁和豎向壓扁的差異，但是均勻性的評價方法不夠全面.從圖10出口速度云圖中可直觀地看出高速區(qū)與低速區(qū)的分布，但高速區(qū)偏移圓管中心點的距離有待分析.研究中獲得渦通量、出口平均湍動能和出口速度偏差對流道壓扁方向的變化敏感，是因為主流速度之外的速度分量受二次流強度的影響，從而影響出口截面角速度計算值，對于僅統(tǒng)計進出口總壓壓差獲得的流動損失，在討論的4個參數(shù)中，壓扁方向的改變對其影響相對來說較小.

采用壓扁管道的方法，目的一是改善大回轉型水炮炮管出口流態(tài)，二是考慮節(jié)約水炮的占用空間，為使結構緊湊則需要對比研究回轉半徑改變帶來的影響.文中固定了模型中各個彎管的彎曲半徑，變回轉半徑是后續(xù)研究工作.研究中所采用的4個評價指標對實際水炮性能的影響有待試驗驗證.

5 結 論

通過對圓截面消防水炮炮管與3對橫向和豎向方向的不同離心率橢圓截面炮管進行數(shù)值模擬，主要結論如下：

1) 3種流量工況下，橢圓截面炮管在壓力損失方面均比圓截面炮管略高，水力損失變化量不到圓管損失的2.7%，幾乎可以忽略，后續(xù)可以通過增大管徑等方式來減小影響.

2) 圓截面水炮炮管出口平均湍流強度最小，在非圓截面情況下，豎向橢圓截面和橫向橢圓截面炮管出口隨著橢圓離心率的增大，湍動能核心區(qū)逐漸偏離炮管中心軸線，說明圓截面的炮管比扁圓管，尤其是橫向的扁圓管出口湍流更穩(wěn)定.

3) 炮管出口正負渦抵消效果造成渦通量的減小，圓截面炮管出口和豎向橢圓截面炮管出口流線疏密程度較橫向橢圓截面炮管更均勻，相同離心率的豎向橢圓截面炮管比橫向的橢圓截面炮管出口速度偏差值要至少小21%.隨橢圓離心率的增大，豎向橢圓截面的流道出口速度減小，豎向橢圓流道出口速度偏差均小于圓形流道，說明豎向橢圓流道出口速度分布更均勻.

4) 對不同截面形狀炮管的模擬結果和水力性能規(guī)律在3種流量工況下具有一致性，其中，流量越大，規(guī)律和差異越明顯.