外延式消防設備噴嘴結構對射程影響的分析

摘要：噴嘴是消防水槍產生射流的重要部件，其結構參數直接影響著消防水槍的射流性能。基于此，具體分析噴嘴的收斂角度、長徑比、出水口直徑以及內表面粗糙度對噴槍噴射性能的影響，并通過試驗驗證四種不同口徑噴嘴射程，得出最佳噴嘴結構，為噴嘴結構設計提供參考。

關鍵詞：消防水槍；射程；噴嘴結構

消防水槍是一種重要的消防裝備，具備射程遠、流量大、覆蓋廣等特點，被廣泛用于大型工業及商業場所。外延式消防設備是以無人機動底盤和消防水槍組成的消防機器人，水箱通過長距離水帶連接無人底盤，消防水槍放置于無人底盤上，以水或消防泡沫為介質，可實現遠程大流量作業。噴嘴是水槍的重要部件之一，噴嘴結構決定了消防水槍的性能。國內關于噴嘴射程影響因素的研究較多。鐘偉等[1]通過建立噴嘴內流場的數值模型，對內流場速度、液相體積分數以及湍動能分布等流場信息進行分析，提出多種改進噴嘴結構的方案。馬德壯[2]基于有限元仿真分析噴嘴的流道曲線、整流段長度及出口直徑，確定噴嘴結構最佳參數組合。胡亞輝等[3]采用試驗和數值模擬相結合的方法分析噴嘴入口壓力、噴嘴出口直徑、旋流室長度對霧化粒徑、霧化錐角的影響規律。程沐錚等[4]通過對比傳統噴嘴，設計出一種全新結構噴嘴，射流集束性好、擴散小，能夠顯著提高射流速度與射程。

1 水槍射流軌跡模型分析

1.1" 理想狀態下水槍射流軌跡模型分析

水槍射流在出水口處以V0的速度射出，與水平面呈角，見圖1。如忽略射流在運動過程中空氣阻力的作用，則微元體只受重力。分別對x、y速度方向進行積分，再消去時間，得出射流軌跡運動方程，由軌跡方程得出水射流軌跡為拋物線。

1.2" 空氣阻力對射流運動軌跡的影響

空氣阻力主要分成三部分：摩阻、渦阻和波阻。根據工程試驗可知，當馬赫數小于0.6時，局部激波不會出現，不會形成波阻，因此可以認為水射流在空間運動時受到的空氣阻力是摩阻和渦阻之和。

根據射流在空間運動的受力情況，利用微元法進行分析。選取射流單位體積、單位流量的微元作為研究對象，見圖2，射流在空氣中運動主要受到重力和空氣阻力。設射流單元的單位質量為1，分別建立射流在x、y方向的運動學方程，推導水槍射流在x和y方向的運動軌跡模型。設初始條件：水射流微團質量m，初始高度y0=h，初始水平距離x0=0，初始速度V0，俯仰角度θ。分別對x、y方向分離變量求解微分方程，消元求得水槍射流的軌跡方程。

在初始高度0.7m條件下，為達到50m射程，根據射流軌跡運動方程，在MATLAB中經數值模擬生成射流的軌跡曲線[2]。水槍噴嘴以30°射角、21.3m/s出水初速噴射，軌跡見圖3。

其他試驗條件保持不變的情況下，噴嘴射角增大到45°，軌跡見圖4，發現射程略微減小。

根據出口速度和噴嘴出口半徑計算得到流量約為400L/min，出口端靜壓為大氣壓強約0.1MPa，出口動壓為0.45MPa，因此總壓為0.55MPa。取內流道壓力損失系數為0.9，進口所需壓力為0.6MPa。

2 噴嘴結構對水槍噴射性能的影響

消防水槍主要由噴嘴、槍身、回轉機構和水帶接口四部分組成，水槍槍座與無人底盤通過法蘭垂直連接固定炮身，回轉機構與槍身連接，實現水平、俯仰位置姿態的調整[5]。噴嘴與槍身通過管螺紋緊密連接，槍身與槍座通過回轉機構固定連接，槍身整體采用單彎管設計，管內流道尺寸為DN50，槍身體積小，減小管內由于壓力沖擊造成的流道紊亂。水帶接口與槍身尾部通過螺紋連接，可快速拆卸更換。水槍在工作時，水或者消防泡沫經水帶接口、槍身、噴嘴噴出，完成消防作業。水槍整體結構為部分加速形式，第一段加速位置在槍身，第二段加速位置在噴嘴，為增強槍身內加速效果，槍身內部流道設計一定錐度。水槍外觀見圖5。

消防水槍的噴嘴是將水槍的壓力能轉換成動能的轉換裝置[6]。噴嘴的結構設計和制造加工工藝對噴射的射程有重要的影響。理想的噴嘴設計應使流體在出口端軸向速度盡可能均勻一致，徑向速度差引起的橫向牽引力降至最小，減少射流所受的空氣阻力。

噴嘴結構分為4類：充實水柱型噴嘴、導流式噴嘴、直筒圓柱體型噴嘴、孔板式噴嘴。本文所用噴嘴為充實水柱型噴嘴，具有流速高、噴水量大、聚集性強、射程遠、易加工的優點，結構見圖6。

2.1" 收斂角度和長徑比對噴射性能的影響

如圖6所示，D和d分別為噴嘴的進水口直徑和出水口直徑，l為噴嘴整流段的長度，定義長徑比Cp=l/d，θ1為噴嘴的收斂角度。

噴嘴收斂角度θ1與壓力能轉換為動能的壓力損失相關，還影響管內水流的湍動。噴嘴的收斂角度θ1越大，沿程的壓力能損失及水流湍動就越大，從而使得水流的狀態變得不穩定，影響射流性能；噴嘴的收斂角度θ1越小，沿程的壓力能損失及水流湍動就越小。但是由于噴嘴結構長度的限制，收斂角度無法無限制減小，且收斂角度太小無法起到很好的加速作用。為防止噴嘴內水流沿程損失及湍動，減小收斂角度，可適當增加噴嘴長度。

噴嘴的長徑比Cp的大小同樣影響噴射性能，當長徑比較小時，射流速度在徑向變化幅度較大，隨著長徑比逐漸增大，噴嘴出水口處流體速度趨于平穩，但當長徑比達到某一臨界值時，整流效果將不再增強，反而因摩擦增大使出口速度降低。

眾多試驗結果表明，當收斂角度θ1=14°，且噴嘴的最優長徑比為3時，水流的噴射距離最大。

2.2" 噴嘴出水口直徑對水槍噴射性能的影響

水或消防泡沫經噴嘴及噴芯從噴嘴出口流出，射流形狀為錐形。根據流體連續性方程：

噴嘴出口處水流為錐狀，在水流匯聚的過程中，水流水膜和空氣之間發生摩擦，產生能量損失，且水膜厚度越薄，能量損失越大。在噴嘴進水口流量和出水口流速固定的前提下，出口直徑和水膜厚度呈現負相關關系。因此，每個進水口流量都存在最優出水口直徑，使得摩擦損失最小，噴射射程最遠。

2.3" 噴嘴內表面粗糙度對噴射性能的影響

噴嘴內的流體由于存在高壓、高速和高溫等流動特性，在粗糙的壁面附近對于流動的液體存在更高的剪切應力，對于速度分布、壓力分布還有空化產生的氣泡將產生更加強烈的擾動。噴嘴的壁面是由形態尺寸各異、分布隨機的粗糙元構成，粗糙元對于壁面附近流動的液體具有較強的干擾作用，進一步影響噴嘴內部的流動性[1]。水從噴嘴內部高速流過，水流與內壁間產生摩擦，水流沿程阻力系數可通過尼古拉斯粗糙管公式[3]求得：

噴嘴壁面摩擦力的大小與相對粗糙度呈正相關。壁面摩擦力不僅會造成水流的壓力能損失，還增大了水流的湍動，造成水流分散，邊界易分流，降低噴射射程。為提高噴嘴噴射性能，應盡可能提高加工精度，降低內壁表面粗糙度，減少摩擦。

3 試驗材料及方法

成套消防水槍裝置主要由槍身、噴嘴、水泵、水源供應裝置及操控裝置組成，水泵為水槍提供壓力和流量。消防水槍固定在無人底盤上。試驗場地平坦，場地長60m、寬30m，風速不大于2m/s，設置測高、測遠標記物。

通過噴嘴結構參數對射流特性的影響分析可知，噴嘴的出口直線段長度、噴嘴出口直徑、噴嘴內表面粗糙度對射流性能有著至關重要的影響，本文主要試驗噴嘴出水口直徑對噴槍射程的影響，加工出水口直徑Ф18mm、Ф20mm、Ф22mm、Ф25mm共4種尺寸噴嘴，其余尺寸規格保持一致，對每種噴嘴按照試驗方法測量噴槍射程，并記錄對比結果。

試驗方法：按照作業工況操作，試驗人員用水帶連接水箱、水泵和消防機器人。待工況穩定后，記錄泵流量和壓力示值，試驗人員控制水槍以盡可能遠的距離向遠處噴射，測量水槍噴口至噴射集中點的距離即最遠噴射射程，記錄試驗結果。按照此試驗方法做3次，測量3次射程數據，取平均值。

4 試驗結果與分析

水泵輸出壓力0.7MPa，流量400L/min，外延至消防機器人水槍壓力0.6MPa，沿程損失0.1MPa。各不同尺寸噴嘴射程試驗結果見表1。由表1可知，當噴嘴出水口直徑為20mm時，噴槍射程最遠。

射流的仿真軌跡與水槍試驗軌跡存在差異，一方面，水槍射流仿真的壓力、水流速度等參數與射流試驗的工作壓力、水流速度等參數不完全一致；另一方面，水槍進行射流試驗時，水槍機構在工作中存在振動、各零部件之間存在誤差，使得水槍俯仰角度發生微小變動[2]。

5 結束語

本文對消防水槍噴嘴噴射性能的影響因素進行了分析，分析表明噴嘴的收斂角度、長徑比、出水口直徑和內表面粗糙度等均對噴射性能有較大的影響，在噴嘴設計中應著重考慮。本文重點對出水口直徑影響因素進行試驗，選取4種口徑噴嘴進行噴射試驗，測量取得最佳性能噴嘴，為噴嘴結構設計提供參考。

參考文獻

[1]鐘偉，王莉華，楊帆.噴嘴結構內流場數值模擬研究[J].力學季刊，2024，45（2）：531-542.

[2]馬德壯.消防機器人水炮機構的設計與研究[D].上海：東華大學，2022.

[3]胡亞輝，張現，胡旭財，等.船用消防壓力旋流噴嘴霧化特性研究[J].消防科學與技術，2023，42（4）：536-540.

[4]程沐錚，蔡毅，陳麗緩，等.基于CFD的高壓水射流噴嘴結構設計與流場仿真[J].機械設計，2023，40（12）：79-85.

[5]劉子平，胡靖，李濤，等.某型號大流量導流式消防水炮噴嘴設計與改進[J].自然科學，2023，11（2）：209-220.

[6]秦漢時，方凱躍，高洪輝，等.基于正交試驗的蒸汽噴射器噴嘴結構優化[J].真空科學與技術學報，2024，44（7）：612-618.