兩種不同結構的消防炮性能對比分析*

劉平安，廖小東，王 銓

(華東交通大學機電工程學院，江西南昌 330013)

兩種不同結構的消防炮性能對比分析*

劉平安，廖小東，王 銓

(華東交通大學機電工程學院，江西南昌 330013)

在相同參數條件下，分別對串、并聯結構消防炮流道引起的壓降及噴嘴出口速度進行分析計算，并用FLUENT和Simulink對這兩種不同結構消防炮的壓力場和射流軌跡進行仿真分析。在不同流量下，分別對兩種結構消防炮的壓降和射程進行對比研究。通過綜合比較得到并聯結構比串聯結構消防炮在降低壓降、提高消防炮射程等方面具有優越的性能，為設計開發大流量、遠射程、高能效的并聯結構消防炮提供理論依據。

并聯結構消防炮;射流軌跡;流場仿真

1 引言

隨著高層、超高層建筑日益增多，對消防炮的射程要求也越來越高［1］。傳統消防炮由于利用蝸輪蝸桿改變噴射方向，采用如圖1所示的串聯結構實現水平和俯仰回轉運動，使消防流道呈現多個直角彎曲，由此使得流道內水流湍流程度增加造成壓降和能量損失增加從而降低水炮射程，直接影響滅火性能。

圖1 串聯結構消防水炮

為提高消防炮的性能，國內外許多學者做了相關的研究，如對三維湍流數值模擬和內部結構流場分析等［2］。但對消防炮彎曲流道結構還未有改進，因而對于提高消防炮工作性能作用依然十分有限。通過機構創新設計，采用并聯機構的方式，使用直管流道代替彎管流道成為可能，如圖2所示。以此減少水炮壓力損失，降低水炮內的湍流程度，提高消防水炮的射程，對遠射程消防炮的開發設計有著重要意義。

圖2 并聯結構消防水炮

2 串與并聯結構消防炮流道沿程壓降的計算

消防水炮在確定了流量和初始壓力的情況下，流道沿程壓降越小，則出口處獲得壓力越大。噴嘴直徑確定時，射程隨著壓力的提高而增大。壓降大反應了壓力的波動大，說明水流的不穩定，造成動量和能量的損失，降低消防水炮的射流性能。

2.1 并聯結構消防炮直管流道沿程壓降計算

根據流量守恒定律計算消防炮進口速度:

式中:A為流道截面，A=πd2/4(m2);v為水炮進口速度，m/s;q為水炮流量，m3/s。

根據雷諾數計算公式:

式中:ω為水的運動粘度1.003×10－6m2/s;d為流道內徑，m。由式(1)、(2)可計算水炮入口水流雷諾數大小，根據臨界雷諾數Rek的大小可判斷水流處于層流或是紊流狀態。

由壓強變化公式:

式中:ρ為流體密度，kg/m3;ξc為直管流道綜合阻力系數:

式中:l1為并聯結構消防炮直管流道長度，m。直管流道中的沿程阻力系數λ可查莫迪斯圖［3］并利用線性插補法計算。

2.2 串聯結構消防炮彎管流道沿程壓降計算

用ξc'代替式(3)中ξcc得彎管流道壓強Δp2，其中:式中:l2為彎管流道中直的部分總長度，m;ξi為局部水頭損失阻力系數，ξi經驗計算公式為:

式中:R為彎管軸心的曲率半徑，m;θ為彎管方向變化角，(°)。

3 實例計算及FLUENT流道壓力變化仿真

3.1 串聯與并聯結構消防炮流道壓降實例計算

采用文獻［4］中介紹的傳統固定式消防炮實例。相關參數如下:流量:q=0.1 m3/s;射程:L≥85 m;水炮內徑d=0.104 m;曲率半徑R=0.1 m;額定工作壓力P=1 MPa;彎管流道總長度l1=1.773 m;噴嘴截面積A1=0.003 075 m2;彎管流道中直的部分長度l2= 1.145 m。

在流量、內徑、額定壓力、流道總長和噴嘴截面積相同條件下，分別對串聯與并聯結構消防炮的流道沿程壓降進行計算。根據前面的計算公式和相關數據。計算結果如下:

3.2 串與并聯結構消防炮流道壓力場仿真

3.2.1 流道建模

為了驗證前面理論計算結果的正確性并分析兩種不同結構消防炮流道內的壓力變化，現利用FLUENT流體仿真軟件對流道進行仿真分析。

創建三維模型。進行網格劃分時，由于流道內壁附近阻力較大，所以先利用gambit軟件對流道劃分邊界層。通過計算判斷水流為湍流狀態，采用k－ε模型，用二階迎風格式計算［5］。采用壓力入口和壓力出口邊界條件，流體為水，初始化入口表壓1 MPa，將入口初速度11.778 m/s轉換為動壓計入總壓進行設置。

3.2.2 流道內壓力變化仿真對比分析

經過FLUENT的迭代計算，殘差收斂，得到串聯結構消防炮彎管流道的壓力變化云圖，如圖3所示

流道進出口總壓結果顯示如下:

總壓包括靜壓和動壓，最終壓力損失為進口總壓減去出口總壓，得到壓力損失為0.106 900 MPa。并聯結構消防炮直管流道的壓力變化云圖如圖4所示。

圖3 串聯結構消防炮流道壓力云圖

圖4 并聯結構消防炮流道 壓力云圖

流道進出口總壓結果顯示如下:

通過計算可知并聯結構消防炮流道壓力損失為0.020 808 MPa。

比較圖3和圖4，串聯結構消防炮流道內部壓力變化較大，特別是彎道處是導致壓力損失和渦流產生的主要原因。由于流體作用，彎道的內側存在較大的負壓，相反外側為較大的正壓，這種內外受壓分布不均將影響管道的使用壽命。相比并聯結構消防炮，直管流道內部壓力變化較小且無局部突變，從水流的入口處到出口處壓力逐漸減小，使得內部引起的紊流較小，流場穩定性更好，流體射流到空氣中后不容易發散，有利于提高消防水炮的射流性能。理論公式計算的壓力損失與仿真得到的壓力損失比較，兩者相差較小，驗證了理論計算結果的正確性，表1所列為計算仿真數據。

表1 理論計算與仿真數據

3.3 串聯與并聯結構消防炮射程仿真

3.3.1 串聯與并聯結構消防炮射流速度的計算

假設不考慮水流經噴嘴的能量損失，根據伯努利方程:

式中:α1、α2為修正系數，取1;Pin為入口壓強，相對大氣壓強為1 MPa;Pout為大氣壓強，相對于自身為0 MPa;射流出口在同一水平面內，所以z1、z2都等于零，將壓力損失轉換成水頭損失hw計算，1 MPa相當于100 m。出口速度使用兩者平均壓降損失計算。將數據代入式(7)得:

vout1=45.81 m/s，vout2=43.96 m/s

3.3.2 串聯與并聯結構消防炮射流軌跡仿真

消防炮射程受到進口壓力、流量、俯仰角、流道結構和風速等的影響。當水射流到空氣后，在俯仰角和外界環境相同的情況下，水射流的出口速度決定著消防炮的射程。水炮仰角為30°，利用Simulink得到串、并聯結構消防炮的射流軌跡［6］，如圖5所示。

圖5 串、并聯結構消防炮射流軌跡圖

通過表2可知，并聯結構消防炮比串聯結構消防炮在垂直和水平射程均有一定的提高。對于大流量大射程的消防炮，隨著壓力和流量的增加，并聯結構消防炮的優越性將更加明顯。

表2 消防炮水平與垂直射程 /m

4 不同流量下串與并聯結構消防炮性能分析

為了比較在不同流量條件下串、并聯結構消防炮性能的差異，根據《消防炮通用技術條件》中的消防炮性能參數設置對兩種結構的消防炮性能進行研究［7］。結果如表3所示。并根據不同流量串、并聯結構消防炮對應的射程作圖，如圖6所示。

表3 不同流量串與并聯結構消防炮性能表

圖6 不同流量串與并聯結構消防炮對應射程

分析表3和圖6可知:在不同流量的條件下，串、并聯結構消防炮隨著流量的增加壓力損失增大，并都呈一定的線性關系增加。流量較小時，兩種結構水炮的射程相差不大，隨著流量的增加，水炮射程增加。但并聯結構水炮的射程增加的幅度比串聯結構水炮要大，證明了在設計大流量大射程消防炮時并聯結構消防炮的優越性。

5 結語

通過對串、并聯結構消防炮流道壓降進行對比分析，運用Fluent和Simulink分別對兩種不同結構消防炮壓力場和射流軌跡進行仿真分析可知:

(1)在參數相同的條件下，并聯結構消防炮比串聯結構消防炮流道壓力損失要小，并隨著流量的增加串聯結構消防炮比并聯結構消防炮流道損失的壓力越大。

(2)對于串聯結構消防炮，流體在流經流道的彎道時出現壓力突變，內外側受壓分布不均勻，影響管道的使用壽命。與并聯結構水炮相比，串聯結構水炮的彎道將增加流體的湍流強度，影響水炮的射流穩定性和集中性，從而降低了水炮的射流性能。

(3)由于串聯結構水炮流道壓力損失大，使得在相同流量條件下，串聯結構比并聯結構消防炮的射程要小，隨著流量的增加，并聯結構消防炮射程增加的幅度越大。

(4)從控制角度分析，每個運動采用單獨控制的并聯結構比運用渦輪蝸桿控制的串聯結構的消防炮更加靈活，減小反應時間，提高滅火效率。

綜上所述，并聯結構消防炮采用直管流道，傳統串聯結構消防炮采用彎管流道，前者比后者更能夠有效的提高消防水炮的工作性能，為設計大揚程、高效率、大流量的消防水炮提供了新的思路。

［1］ 俞毓敏.大射程水炮設計及研究［D］.南京:南京理工大學，2011.

［2］ 劉德民，劉小兵，王 靖，等.WSTSKP數控消防炮的結構與流場分析［J］.消防科學與技術，2007，26(4):430－432.

［3］ 林建忠，阮曉東，陳邦國.流體力學［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［4］ 陳偉剛.固定式消防水炮結構參數優化及其水力學性能研究［D］:南昌:華東交通大學，2010.

［5］ 魏亞飛，楊曉京，謝 軍.一種新型微泡發生器的流場仿真研究［J］.機械研究與應用，2008，21(5):17－18.

［6］ 孫 健.消防炮射流軌跡的研究［D］.上海:上海交通大學，2008.

［7］ 消防炮通用技術條件［S］.GB 19156－2003，2003.

The Performance Comparative Study on Two Different Structure of Fire Monitor

LIU Ping－an，LIAO Xiao－dong，WANG Quan
(School of Mechatronics Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangχi 330013，China)

The pressure drop and outlet flow velocity of series and parallel structure fire monitor are calculated and compared under the condition of same performance parameters.Pressure field is simulated by using FLUENT and jet trajectory is simulated by using Simulink.Finally，the two structure fire monitor's pressure drop and jet trajectory are studied and compared under the condition of different flow.Through comprehensive comparison，parallel structure fire monitor is more superior performance than series structure fire monitor in terms of reducing energy consumption and increasing the firing range，which provides theoretical basis for designing and developing large flow，long－range，energy－efficient parallel structure fire monitor.

parallel structure fire monitor;jet trajectory;flow field simulation

TV131

A

1007－4414(2013)05－0016－03

2013－08－23

江西省科技支撐計劃項目:基于并聯結構的消防炮設計與開發(編號:20122BBE500041)。

劉平安(1962－)，男，江西萍鄉人，教授，博士，主要從事機械設計、機構學、機器人機構學研究方面的工作。