遠(yuǎn)射程消防水炮噴嘴設(shè)計及內(nèi)部流道優(yōu)化.pdf

1、設(shè)計遠(yuǎn)射程消防水炮的關(guān)鍵之一在于對其流道、噴嘴、穩(wěn)流器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，盡可能地減少內(nèi)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(dá)到最遠(yuǎn)的射程。本文設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)形式的大流量消防水炮噴嘴——直流式噴嘴和導(dǎo)流式噴嘴，分別對這兩種消防水炮噴嘴進(jìn)行內(nèi)部流道研究與優(yōu)化。本文主要研究內(nèi)容如下：
　　（1）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(dǎo)流式消防水炮噴嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)和水力設(shè)計。結(jié)合ICEM與Fluent

2、軟件對設(shè)計的兩種噴嘴進(jìn)行內(nèi)部流場分析，發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計的直流式消防水炮與導(dǎo)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(jìn)行水力尺寸優(yōu)化。在直流式消防水炮中，穩(wěn)流器的結(jié)構(gòu)形式對射流效果具有重要的影響；而導(dǎo)流式消防水炮的流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要對其關(guān)鍵的尺寸組合進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
　　（2）采用相似理論設(shè)計小型直流式與導(dǎo)流式消防水炮噴嘴模型，通過試驗(yàn)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(jié)合單水滴假設(shè)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(jié)果與試驗(yàn)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(jié)果更加符合試驗(yàn)測量值。對大流量消防水炮的射流軌跡進(jìn)行了計算，預(yù)測了大流量消防水炮的射程。
　?。?）結(jié)合數(shù)值模擬與響應(yīng)面法對導(dǎo)流式消防水炮流道的水力尺寸進(jìn)行多目標(biāo)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(biāo)，使用拉丁超立方設(shè)計方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計并結(jié)合數(shù)值模擬生成響應(yīng)面近似模型。利用 NSGA-Ⅱ算法對噴嘴流道水力尺寸進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化并得到了帕累托最優(yōu)解集。分析結(jié)果表明：響應(yīng)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(biāo)均優(yōu)于初步設(shè)計的原始模型。
　?。?）設(shè)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(nèi)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(shè)計流量下的內(nèi)部流動數(shù)值模擬研究。采用正交試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)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(nèi)部流動對比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(nèi)，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