遠射程消防水炮噴嘴設計及內部流道優(yōu)化.pdf

1、設計遠射程消防水炮的關鍵之一在于對其流道、噴嘴、穩(wěn)流器進行優(yōu)化設計，盡可能地減少內部流動損失，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。本文設計了兩種結構形式的大流量消防水炮噴嘴——直流式噴嘴和導流式噴嘴，分別對這兩種消防水炮噴嘴進行內部流道研究與優(yōu)化。本文主要研究內容如下：
　?。?）根據(jù)課題要求確定消防水炮的性能參數(shù)，分別對大流量直流式消防水炮與導流式消防水炮噴嘴進行結構和水力設計。結合ICEM與Fluent

2、軟件對設計的兩種噴嘴進行內部流場分析，發(fā)現(xiàn)本文設計的直流式消防水炮與導流式消防水炮的噴嘴在額定工況下工作時壓力損失較大，出口處速度不穩(wěn)定，這些均會影響射流效果，縮短消防水炮的射程。故需要對這兩種消防水炮噴嘴進行水力尺寸優(yōu)化。在直流式消防水炮中，穩(wěn)流器的結構形式對射流效果具有重要的影響；而導流式消防水炮的流道結構復雜，需要對其關鍵的尺寸組合進行優(yōu)化改進。
　?。?）采用相似理論設計小型直流式與導流式消防水炮噴嘴模型，通過試驗研究，得

3、到不同仰角與工作壓力下兩種小型消防水炮模型的射流軌跡。結合單水滴假設模型與指數(shù)增長模型等阻力模型，采用四階龍格庫塔方法計算小型消防水炮模型的射流軌跡。通過計算結果與試驗測量值的比較，發(fā)現(xiàn)采用指數(shù)增長的阻力模型的計算結果更加符合試驗測量值。對大流量消防水炮的射流軌跡進行了計算，預測了大流量消防水炮的射程。
　?。?）結合數(shù)值模擬與響應面法對導流式消防水炮流道的水力尺寸進行多目標優(yōu)化。以噴嘴的喉管通徑、喉管長度和喉部收縮角為變量，以出

4、口湍流動能最小和出口平均速度最大為目標，使用拉丁超立方設計方法進行試驗設計并結合數(shù)值模擬生成響應面近似模型。利用 NSGA-Ⅱ算法對噴嘴流道水力尺寸進行多目標優(yōu)化并得到了帕累托最優(yōu)解集。分析結果表明：響應面模型具有較高的擬合精度，可以提高噴嘴流道的優(yōu)化效率；選取的三個變量中喉管通徑對噴嘴的噴射性能影響最大；優(yōu)化之后的出口湍流動能和出口速度這兩個目標均優(yōu)于初步設計的原始模型。
　　（4）設計了截面積近似相等的三種穩(wěn)流器，以穩(wěn)流器占用

5、水炮流道內部相同體積、相同表面積這兩種方案，開展了直流式消防水炮在設計流量下的內部流動數(shù)值模擬研究。采用正交試驗與數(shù)值模擬相結合的方法，挑選出適合大流量消防水炮的穩(wěn)流器形式。通過內部流動對比分析發(fā)現(xiàn)，當水炮不安裝穩(wěn)流器時，出口軸線上的流速增加的少，出口流態(tài)明顯不均勻。水炮加裝三種穩(wěn)流器后產(chǎn)生的總流動損失都大約在0.1-0.13MPa范圍內，穩(wěn)流器區(qū)域產(chǎn)生的流動損失約占總損失的55％。對于截面積相近而截面形式不同的穩(wěn)流器，穩(wěn)流器表面積的影