基于CFD技術的改進型執法水炮流道結構設計

汪震，林杰，汪睿

(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2.泰豪科技股份有限公司，南昌 330096；3.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

目前公務船使用的常規執法水炮本質上仍是消防水炮，射出的水柱容易受到風向的影響，易發散，導致水炮有效射程短和水柱末端打擊力不足，不能對遠距高危險目標進行有效打擊。為了提高水炮打擊力，必須提高水炮的流量和射程，即提高水泵流量和揚程。然而，受水泵技術水平、管路，以及附件的耐壓等級和船舶總體資源等因素限制，這種方法提升水炮殺傷力有限。根據海警船等公務船的維權執法需求，針對常規水炮有效射程短和打擊力不足的缺點，提出改進型執法水炮，增加冰球打擊功能，即向水炮管路中加入冰球。為了實現水柱和冰球的兼容發射，考慮在常規執法水炮的基礎上進行流道結構改進設計，重點改進整流器結構和冰球輸送管路插入位置，并利用FLUENT軟件對改進后的水炮內部復雜流場進行仿真分析，驗證改進設計方案的可行性。

1 執法水炮流道結構設計

1.1 常規執法水炮

常規水炮流道結構如圖1所示，水泵輸送高壓水進入水炮主管路中，途徑轉向彎管后從錐形炮管噴出，形成高壓水柱，驅動電機可驅動水炮進行俯仰和水平旋轉運動。炮管內部設置了格柵型整流器，用于改善炮管內部的流場均勻性，降低水的紊流程度。在相同的流量和出口速度下，炮管內部流場越均勻，水流動方向越一致，水炮噴射出的水柱越集中，成束性越好、越不容易發散，水炮的射程越遠，水柱末端打擊力越強。因此，在水炮內部設置整流器，用于改善水炮內部流動均勻性。

圖1 常規水炮流道結構示意

1.2 改進型執法水炮

由于整流器的存在阻擋了冰球通過，因此需要合理設計冰球輸送管插入的位置和整流器結構。提出兩種改進型執法水炮流道結構設計方案，見圖2。

圖2 改進型執法水炮流道結構設計方案示意

方案A，冰球輸送管插入點設置在整流器后端，冰球輸送管外部軸線與炮管軸線夾角為45°,內部管路與炮管同軸，冰球通過冰球輸送管進入炮管內，和高壓水一起噴射出去。

方案B，中冰球插入點設置在水炮主管路，冰球輸送管外部軸線與水炮主管路軸線夾角為45°，內部管路與水炮主管路同軸；取消格柵形整流器，設置彈尾形整流器和冰球捕捉器。冰球捕捉器主要由中心管、8根刀型整流片和固定法蘭組成，刀型整流片按周向均勻固定在中心管和法蘭之間，整體安裝在炮管內部；彈尾形整流器由中心導向管和4根矩形整流片組成，4根矩形整流片按周向均勻固定在中心導向管上，并與冰球捕捉器的刀型整流片對齊，中心導向管與冰球捕捉器的中心管前端的嵌套連接。冰球捕捉器具有整流和捕捉冰球的雙重作用，冰球被冰球捕捉器導入彈尾形整流器的中心導向管內，高壓水流主要從中心導向管外部空間通過，并推動冰球向前運動，最后冰球與高壓水一起從錐形炮口噴出。

2 仿真模型設置

2.1 控制方程

水炮流道的流場計算包括對3個控制方程進行求解：連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程。由于水炮內部流速較快、在炮體內停留時間短，所以將水炮內部流動視為絕熱流動，不考慮水與外部環境的能量交換。由于水炮內部流體介質只有一種(水)，所以不考慮物料平衡方程，根據質量守恒定律，總結出連續性方程如下。

(1)

式中:為流體介質的密度，為流體介質的三維速度矢量，()是質量源項。由于進行的是穩態流體分析，且流體介質在水炮流道內部的流動沒有質量源項，所以連續性方程可簡化為

(2)

水炮內部流體介質的動量方程為

(3)

式中:、(1,2,3)指不同的坐標方向，表示方向上的速度分量；為流體介質的運動粘度，右邊第二項為表面力(切應力);為方向上的體積力(重力)分量。

由于水炮內部流體受重力影響較小，可忽略重力作用，同時忽略非穩態項，于是將式(3)簡化為

(4)

根據能量守恒定律，得到閥門內部流體的能量方程。

(5)

式中：等號左端第一項為單位質量流體的儲能變化率；右端各項依次為質量力(重力)所做功、表面力所做功、傳導熱和熱源項。

由于閥門內無熱源項，同時忽略重力和非穩態項，于是將式(5)簡化為

(6)

聯立式(2)、(4)和(6)，對水炮流道內部流場進行分析求解。

以某公務船搭載的常規執法水炮為例，水炮流量為160 m/h，水炮主管路通徑為DN100，錐形炮管出口通徑為DN40，初步核算水炮內部平均流速為5.66～35.37 m/s。計算水炮主管路內流體的雷諾數=560 396，說明水炮流道內的流動狀態為湍流，利用CFD軟件進行模擬計算時需選用合適的湍流模型。

2.2 湍流模型

FLUENT軟件提供的湍流模型包括零方程模型、標準-模型、RNG-模型、標準-模型及雷諾應力模型和大渦模擬模型。水炮流道流場分析中使用的是標準-模型。

為了對湍流流體進行分析，引入雷諾平均法，將流體變量分解為平均值和脈動值，以流體速度為例，如下所示。

(7)

標準-模型是最簡單的完成兩方程湍流模型，也是目前應用最廣泛的湍流模型，需要求解湍流動能和湍流耗散率的方程，即

+--+

(8)

(9)

(10)

式中：為由于平均速度梯度引起的湍動能的產生項;為由于浮力引起的湍動能的產生項；為可壓縮湍流中脈動膨脹的貢獻；為湍流粘性系數;1、2、3和為經驗常數，和分別為與湍動能和耗散率對應的普朗特數，和為自定義源項。根據工程經驗，經驗常數和普朗特數的取值為：1=144，2=192，=009，=10，=13。對于不可壓縮流體，3=0，=0，=0。

2.3 網格模型

利用ANSYS Workbench對兩種改進型執法水炮流道(流體域)進行實體建模，見圖3。

圖3 水炮流道網格模型

2.4 計算域與邊界條件設置

計算域中的流體介質為水，視為不可壓縮流體，物性參數來自FLUENT自帶的物性數據庫，定常、定壓，環境溫度為室溫。使用標準-模型，湍流普朗特數設置為0.9，不考慮熱輻射。

流體域邊界除入口和出口外均設置為光滑壁面，滿足壁面無滑移條件，與外界無熱交換(絕熱)。

設定邊界條件。水炮管路入口：Inlet，流量160 m/h，靜壓0.8 MPa(表壓)；冰球輸送管路入口：Inlet，流量20 m/h，靜壓1.1 MPa(表壓)；水炮出口：Outlet，背壓為大氣壓。

3 仿真結果分析

改進型執法水炮具有兩種打擊模式：水柱打擊和冰球打擊，即水炮內部流體不含冰球和含冰球的兩種情況。

3.1 水柱打擊模式

3.1.1 壓力分布

水炮內部壓力分布情況見圖4。壓力最大值均位于水炮主管路中，壓力最低點位于炮管出口附壁處。結果表明，由于冰球輸送管路的存在，方案A中炮管截面的壓力分布均勻性較差，易造成流體擾動。

圖4 錐形炮管中平面壓力分布

3.1.2 水炮內部速度分布情況

最高速度均位于炮口處，且峰值速度差不多(方案A：41.6 m/s，方案B：41.5 m/s)，但方案B中的流線速度方向更一致、速度分布更均勻。方案A的流動損失較小，但由于冰球輸送管路的插入增加了流場的不均勻性，水炮射出口更容易發散，降低有效射程。見圖5。

圖5 錐形炮管中平面速度分布

3.1.3 湍動能分布

湍動能在一定意義上表征了流體湍流的混亂程度，湍動能越大，流體能量耗散越大。水炮內部湍動能分布情況見圖6，兩種方案中錐形炮管內湍動能峰值均位于入口處，但是方案B中錐形炮管出口處湍動能數值更低且分布更均勻，這說明方案B出口流體能量更集中，炮管出口水柱成束性更好。

圖6 錐形炮管截面湍動能分布

3.2 冰球打擊模式

在水炮內部區域創建冰球區域，冰球直徑為DN36，冰球外表面設置為WALL屬性，仿真計算結果分析如下。

3.2.1 壓力分布

水炮內部壓力分布情況見圖7。壓力最低點位于炮管出口附壁處，壓力最高點出現位置不同，方案A中壓力最高點位于炮管入口處，方案B中壓力最高點位于彈尾形整流器的中心流道中。對比錐形炮管內的整體壓力分布情況，方案B中壓力分布更均勻，流體受到的擾動較小。

圖7 錐形炮管內部壓力分布(含冰球)

3.2.2 速度分布

水炮內部流線和速度分布情況見圖8。

圖8 錐形炮管截面速度分布(含冰球)

最高速度均位于炮口處，方案A的峰值速度

較高(方案A：42.0 m/s，方案B：41.2 m/s)，說明方案A流道結構產生的水頭損失較低，但方案B中的流線速度方向更一致、速度分布更均勻。由于冰球的存在，增加了炮管內部流體的擾動，但方案B中冰球被限制在彈尾形整流器的中心流道中，對中心管外部的流體影響較小，流體流動方向一致性更強，冰球射出炮口后不易偏移軌跡。彈尾形整流器的中心流道中，冰球后部的流體速度較低，進而轉化為冰球的動能。

3.2.3 冰球受力情況

按照設計預想，冰球和高壓水一起從炮口噴出，冰球運動的動力主要來源于高壓水的推力。水炮受力情況見圖9。可以看出，方案B中冰球表面壓力分布更均勻，且受力方向更集中于軸線方向，其合力值也較大(146.73 N>20.04 N)。這表明，方案B中的冰球獲得的推力更大，冰球的射程也更遠、運動方向更集中。

圖9 冰球表面壓力分布

3.3 方案對比

對比兩種水炮流道結構設計方案在兩種打擊模式下的流場仿真分析結果，可以推斷出：兩種方案的水流峰值速度相差不大，但非對稱性的流道結構也導致了速度和壓力分布的不均勻性，湍流程度更高，進而導致水炮發射的高壓水柱成束性較差、易發散，影響水炮的有效射程和末端水柱打擊力。加入冰球后，進一步加劇了方案A流道中流場的不均勻性，而方案B得益于特殊的整流器結構，流場均勻性受影響較小，且冰球受力更大、受力方向更集中于軸線方向，冰球射出炮口后方向不易偏離軸線，飛行距離更遠。綜上所述，方案B表現出的水炮性能優于方案A。

4 結論

1)相較于常規執法水炮，改進型執法水炮可增加冰球打擊功能，提升水炮打擊力。

2)兩種流道結構設計方案均可實現發射冰球功能，二者的內部流體峰值流速相近，但方案B在兩種打擊模式下的水炮內部流場均勻性更好，水柱成束性更好。

3)冰球打擊模式下，方案B中的冰球整體受力更大、受力方向更集中于軸線方向，進而表現出更好的水炮性能。

4)選擇方案B作為改進型執法水炮流道結構的最終設計方案。