薛林，袁壽其，向清江*，徐婕

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 應(yīng)急管理部上海消防研究所，上海 200032)

大型消防水炮廣泛應(yīng)用于大空間火災(zāi)保護(hù)場所[1]，例如煉油廠、倉庫、港口碼頭等，在保護(hù)國家財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮了重要作用.水炮按出口截面形式分為導(dǎo)流式和瞄口式.導(dǎo)流式出口截面為圓環(huán)形，水炮的射流具有開花散射和收束直射的功能；瞄口式水炮出口為圓截面，射流水柱集中，射程較遠(yuǎn).大流量、遠(yuǎn)射程船用水炮一般采用瞄口式結(jié)構(gòu).

瞄口式消防水炮流道結(jié)構(gòu)主要分為水炮主體、炮管和噴嘴這3部分.水炮噴嘴為圓錐形收縮管，噴嘴的作用是將水的壓力勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，內(nèi)部水的流速在出口處增至最大.噴嘴的研究一般集中于噴嘴輪廓線，其影響著動(dòng)能轉(zhuǎn)換的效率.MCCARTHYM[2]指出噴嘴內(nèi)部表面光滑程度影響噴嘴的勢能向動(dòng)能轉(zhuǎn)換，分析了3種噴嘴結(jié)構(gòu)形式，指出長度與噴嘴直徑比L/d對出口斷面速度的影響很大.王樂勤等[3]研究分析了48個(gè)模型噴嘴的收縮角、長徑比、直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流性能的影響.水炮炮管為內(nèi)部安裝整流器的一段直圓管，炮管的研究主要集中于內(nèi)部整流器結(jié)構(gòu)形式和消旋效果.XIANG等[4]給出一種雙層圓加肋片形式的穩(wěn)流器，采用正交試驗(yàn)方法分析了主要的尺寸影響因素.王紅霞[5]探討了消防水槍中的幾種穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)以及主要參數(shù)設(shè)計(jì)原則，試驗(yàn)觀測認(rèn)為蜂巢形穩(wěn)流器具有較好的效果.水炮主體為圓管形式的繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其研究一般集中在內(nèi)部分流片安裝位置及尺寸方面.袁丹青等[6]對不同曲率的水炮主體內(nèi)安裝不同數(shù)量、不同位置導(dǎo)流片進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，表明導(dǎo)流片可改善流動(dòng)狀態(tài)；琚學(xué)振[7]對水炮主體內(nèi)分流片給出了整體布置形式，其效果有待試驗(yàn)驗(yàn)證.

水炮左右旋轉(zhuǎn)、上下俯仰噴射的功能是通過安裝在水炮主體上的渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，因此水炮的繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)研究不僅要考慮內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，而且要考慮炮體整體結(jié)構(gòu)需緊湊、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置需合理.目前，關(guān)于水炮主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、曲率大小研究的文獻(xiàn)較少.雖然數(shù)值研究結(jié)果表明，水炮主體部分的流動(dòng)損失占整個(gè)流道流動(dòng)損失的比例較小[8]，但已有的試驗(yàn)反映出合適的水炮主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)能明顯增大水炮射程，國外水炮產(chǎn)品中，已有非圓形截面的水炮主體流道形式，水炮主體內(nèi)流體的繞流特性、二次流[9-11]還有待深入研究.

文中設(shè)計(jì)3種水炮主體分別繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)形式，分析流道的水力損失，對出口流態(tài)流體的旋轉(zhuǎn)特性、湍流特性進(jìn)行對比分析.

1 水炮主體彎管形式

文中研究的消防水炮設(shè)計(jì)流量為600 m3/h，水炮主體管道內(nèi)徑d為180 mm，考慮到僅對主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)開展對比分析，因此省略了內(nèi)部的分流片.定義3種水炮主體分別為傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)、半回轉(zhuǎn)、大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式來源于實(shí)際水炮產(chǎn)品，如圖1所示.

圖1 3種消防水炮主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

圖1a所示水炮的傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)也稱為U形，考慮到大流量水炮主體結(jié)構(gòu)的緊湊性，未對比S形小流量中常見的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu).3種水炮主體回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)都是由直管段，90°,180°以及一定角度的彎管構(gòu)成的組合體，渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的直管段位置.水炮主體的入口結(jié)構(gòu)均為垂直圓管段與90°彎管結(jié)合.根據(jù)俯視圖，水炮主體結(jié)構(gòu)都使流道完成了1圈的繞轉(zhuǎn)，在結(jié)構(gòu)的出口處接水炮炮管和噴嘴，出口法線與垂直的主體進(jìn)口管軸線保持在一平面內(nèi).為了對比研究，將出口與水平方向都設(shè)置為30°，也即采用常用的水炮射流仰角.水炮的主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)對比采用管道中心線長、各個(gè)彎管的曲率R來衡量.9種對比的尺寸方案如表1所示，表中L1為水炮主體各個(gè)直段的長度，θ為彎管彎曲角度，R/d為彎管曲率與直徑比，L為彎管中心線總長.

表1 3種水炮主體的尺寸方案

2 數(shù)值模擬方法

對表1中的3種水炮主體采用Fluent軟件開展數(shù)值模擬.網(wǎng)格劃分為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，邊界條件選用速度進(jìn)口和壓力出口，壁面采用無滑移條件，并根據(jù)不銹鋼材料設(shè)置粗糙度高度為0.046 mm.壓力速度耦合采用SIMPLE方案，各項(xiàng)殘差以10-4為收斂值.由于選用了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，網(wǎng)格第1層節(jié)點(diǎn)需要設(shè)置在紊流旺盛發(fā)展區(qū)，使速度的對數(shù)分布規(guī)律成立.因此計(jì)算時(shí)對距離y+進(jìn)行了試算，并對比出口湍動(dòng)能強(qiáng)度和水炮主體總壓差損失，如表2所示，表中h為第1層網(wǎng)格高度，y+為壁面量綱一的距離，k為出口平均湍動(dòng)能，Δp為總壓差損失.

表2 不同第1層網(wǎng)格高度時(shí)參數(shù)計(jì)算值

不同學(xué)者對y+取值范圍定義不同，根據(jù)表2中的結(jié)果，所有模型計(jì)算中選取第1層網(wǎng)格高度0.5 mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對網(wǎng)格密度進(jìn)行驗(yàn)證.圖2為大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)水炮主體的網(wǎng)格量驗(yàn)證，圖中隨網(wǎng)格密度增大，出口平均湍動(dòng)能k和總壓差損失ΔP增大，但增加量變少，網(wǎng)格量N從60萬增至195萬時(shí)，總水力損失變化量約為0.37 kPa，約占最大網(wǎng)格量計(jì)算值的3%，因此網(wǎng)格量變化對水力損失計(jì)算結(jié)果影響較小，出口湍動(dòng)能變化量約0.124 m2/s2，約占最大網(wǎng)格量值的28%，文中選取150萬網(wǎng)格量進(jìn)行計(jì)算.

圖2 計(jì)算的網(wǎng)格量驗(yàn)證

3 不同彎管形式對比分析

不同水炮主體回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)計(jì)算對比的出口平均湍動(dòng)能和總壓力損失如表3所示.

表3 3種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)時(shí)計(jì)算結(jié)果對比

Tab.3 Comparison of the calculating results among three rotary structures

參數(shù)R/d(傳統(tǒng)回轉(zhuǎn))R/d(半回轉(zhuǎn))R/d(大回轉(zhuǎn))1.21.31.41.21.31.41.41.82.2k/(m2·s-2)0.8310.7180.6290.9280.8370.7240.620.4990.411Δp/kPa12.5111.5210.8614.6913.9813.2512.2111.8612.11(Δp/L)/(kPa·m-1)4.313.823.474.834.393.983.943.363.06

從表3可看出，回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)不同，計(jì)算的結(jié)果差異明顯.隨著彎管曲率與管徑比值R/d的增大，3種回轉(zhuǎn)體的出口平均湍動(dòng)能k都減小，水力損失Δp也呈減小的趨勢，其中水力損失為進(jìn)口總壓與出口總壓之差，說明隨著管道曲率增大，流動(dòng)的局部損失減小.而對于大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，在R/d為1.8時(shí)的水力損失略小于1.4和2.2的情況，說明在這個(gè)取值區(qū)間大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)存在較優(yōu)的曲率值，大的曲率使水炮占用較大操作空間，小的曲率水力損失大.因此大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)曲率是進(jìn)一步研究的內(nèi)容.單位長度水力損失可為繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考.表3中對于同一種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，單位長度的水力損失隨曲率R/d的增大而減小，也表明曲率的增大減少了局部損失，在R/d為1.4時(shí)對比3種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)水炮回轉(zhuǎn)體單位長度水力損失最小，但出口平均湍動(dòng)能是大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)最小.1.4倍R/d情況下3種結(jié)構(gòu)出口平均湍動(dòng)能云圖對比如圖3所示.

圖3 3種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)出口湍動(dòng)能分布對比

湍動(dòng)能k值的大小反映了湍流脈動(dòng)長度和時(shí)間尺度的大小，是流體紊動(dòng)的強(qiáng)弱、紊流發(fā)展或衰減的指標(biāo)，其定義為

(1)

式中:u′，v′，w′分別為基于雷諾時(shí)均法得到的3個(gè)方向的脈動(dòng)速度.從圖3可看出，圓管湍流達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)時(shí)截面的分布形態(tài)不同，湍動(dòng)能分布顯示中間區(qū)域大，固壁附近小，是因?yàn)楣瘫谶吔缢俣葹?，大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的出口湍動(dòng)能集中在管軸線位置，而傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)和半回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的出口湍動(dòng)能最大值偏離軸線，且傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)出口的第2峰值明顯，說明這2種結(jié)構(gòu)的出口湍動(dòng)能分布均勻性小于大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu).3種回轉(zhuǎn)體出口方向?yàn)榱黧w主流流動(dòng)方向，式(1)中坐標(biāo)方向是人為設(shè)置定義的，3個(gè)方向的脈動(dòng)速度中有某一方向與主流方向接近一致，當(dāng)另2個(gè)脈動(dòng)速度分量較大時(shí)，對主流流動(dòng)具有影響.因此湍動(dòng)能分布偏離軸心線位置也反映了主流方向上速度分布不均勻.表3中統(tǒng)計(jì)的湍動(dòng)能平均值是以出口面積為加權(quán)平均，僅反映平均值的大小，出口湍動(dòng)能值的大小及分布均勻性與提高水炮內(nèi)部流動(dòng)性能的關(guān)聯(lián)有待進(jìn)一步研究.

水力損失對比中半回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)較大，因此僅對比R/d為1.4的傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)和大回轉(zhuǎn)出口流態(tài)，將圓形出口按45°間隔截取4條速度剖面線y,z,yz1,yz2，剖面線水平和垂直方向與建模時(shí)的坐標(biāo)方向一致，出口處斜剖面線分別命名yz1和yz2，出口徑向速度v分布曲線如圖4，5所示.

對比的彎管內(nèi)雷諾數(shù)約為1.0×106，圖中理論速度剖面線按圓管湍流速度分布1/7律計(jì)算，其計(jì)算式為

(2)

式中:v為r徑向位置時(shí)的理論速度;vmax為出口斷面中心最大速度，通過入口平均速度計(jì)算獲得.圖4,5中的徑向速度分布曲線與理論速度曲線對比，各曲線的速度最大值與理論值一致.但數(shù)值模擬所得的速度分布線在圓管中心位置，并不是最大速度，而是在管壁附近出現(xiàn)峰值，由此判斷流體在經(jīng)過多次繞轉(zhuǎn)后，在出口處帶有較強(qiáng)的旋度.圖4中的yz2速度分布線左側(cè)速度嚴(yán)重偏低，圖中4條速度曲線按中心軸線對稱性能對比，低于圖5的情況，表明傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)出口速度分布均勻性低于大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，與通過湍動(dòng)能分析得到的結(jié)論一致.

圖4 傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)出口速度曲線

圖5 大回轉(zhuǎn)出口速度曲線

最大流速區(qū)域偏向管壁的現(xiàn)象也與管內(nèi)二次流有關(guān)，流體沿管道軸向流動(dòng)時(shí)，由于彎曲管道的離心力作用，沿管外側(cè)壓強(qiáng)大于彎曲內(nèi)側(cè)，橫向壓力的作用下彎管截面上出現(xiàn)與主流軸線方向垂直的流動(dòng).對于流體流過90°彎管后，斷面出現(xiàn)2個(gè)反向渦已成為定論，稱為迪恩渦.迪恩渦的強(qiáng)度和形態(tài)反映了流體旋轉(zhuǎn)和局部損失，其也被利用于二次流強(qiáng)化傳熱的性能研究[12].但90°彎管后接多個(gè)角度不同的彎管構(gòu)成彎管組合體，且組合體整體為一種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，對其內(nèi)部軸線沿程二次流狀態(tài)掌握尚不夠詳細(xì)，文中僅對比回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)出口流線狀態(tài)如圖6所示.

圖6 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)出口流線對比

圖6對比了3種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)2種曲率出口的流線圖，以主流流出出口為視角.從圖6a中看出,傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)R/d=1.4時(shí)出口斷面僅有1個(gè)順時(shí)針的基本渦.圖6b中半回轉(zhuǎn)出口有明顯的3個(gè)渦存在，2個(gè)順時(shí)針及1個(gè)逆時(shí)針方向.圖6c中大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在R/d=2.2時(shí)出口有3個(gè)渦，管中心區(qū)域順時(shí)針方向2個(gè)主要的渦，管壁附近存在逆時(shí)針小渦，大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)R/d=1.4時(shí)渦的形態(tài)與圖6a一致，因此并未作圖.

常采用無因次準(zhǔn)則數(shù)——迪恩數(shù)來衡量彎管內(nèi)離心力、慣性力、黏性力的作用，計(jì)算式為

De=Re·(r/Rc)0.5,

(3)

式中:Re為雷諾數(shù)，文中各對比方案中雷諾數(shù)相同；r為彎管的管半徑90 mm；Rc為彎管曲率半徑.在雷諾數(shù)相同的情況下，迪恩數(shù)與幾何尺寸曲率相關(guān).90°彎管之后出現(xiàn)的1對反向渦在隨后的彎管、直管內(nèi)發(fā)展，新的渦出現(xiàn)以及消失等，需要結(jié)合水炮主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)以及臨界迪恩數(shù)開展分析.圖6a,b,c出口旋渦渦量積分后得到旋渦強(qiáng)度，分別為-0.589，-0.125，-0.195 m2/s，與圖6a一致的大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)R/d=1.4出口旋渦強(qiáng)度為-0.302 m2/s，因此單一的渦形態(tài)表明出口旋渦強(qiáng)度較大.圖6b，6c中存在不同方向的渦，抵消了部分旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度.

4 討 論

對3種消防水炮主體回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)開展數(shù)值模擬研究，獲得各彎管水力損失的大小，出口流態(tài)采用了湍動(dòng)能、速度分布曲線和迪恩渦進(jìn)行對比，反映出內(nèi)部流動(dòng)性能存在較大差異.對文中的計(jì)算精度和計(jì)算結(jié)果討論如下：

單相流數(shù)值模擬方法逐漸成熟，模擬準(zhǔn)確度較高，是復(fù)雜試驗(yàn)的替代方案，計(jì)算結(jié)果和獲得的規(guī)律可做參考.文中采用了標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型模擬，模型中的常系數(shù)適用于完全發(fā)展的湍流，但對于水炮主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其流動(dòng)特點(diǎn)是有旋轉(zhuǎn)，受二次流影響.因此可與帶旋流修正的k-ε模型、雷諾應(yīng)力模型(RSM)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比.

由于采用了面積加權(quán)平均，出口湍動(dòng)能的平均值與出口面的網(wǎng)格劃分疏密有關(guān)，O型網(wǎng)格劃分采用了一樣的節(jié)點(diǎn)數(shù)布置，可減小對比誤差.在開展網(wǎng)格量對計(jì)算結(jié)果無關(guān)性驗(yàn)證時(shí)，k值變化量達(dá)到28%，原因是沿固壁指向圓心方向，邊界層厚度極小，湍動(dòng)能變化梯度大，在固壁邊界附近統(tǒng)計(jì)的湍動(dòng)能值誤差較大.

通過水力損失對比3種結(jié)構(gòu)，半回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)形式在各曲率半徑下都較大.該結(jié)構(gòu)接近出口段含有2個(gè)波浪形式連接的45°彎管，增加了流動(dòng)阻力.大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為了避免出口段與進(jìn)口段相交，因此R/d尺寸方案較大.該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是為了充分借用離心力的作用，流體以進(jìn)口管軸線為基準(zhǔn)，回旋后流出.這種方案的流動(dòng)損失比傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)流動(dòng)損失大，原因是該結(jié)構(gòu)中沿程損失是主要的損失，管道的彎曲使管外側(cè)壁面壓力大于內(nèi)側(cè)，大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中具有較高壁面壓力的區(qū)域大于傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(限于篇幅，文中未給出管壁壓力計(jì)算云圖)，而傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)由二次流引起的局部水力損失為主要損失.

出口旋渦強(qiáng)度的大小反映出回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣，在相同R/d=1.4的情況下，傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)和大回轉(zhuǎn)的出口處得到了相似的單一順時(shí)針方向渦形態(tài).但大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)旋渦強(qiáng)度較小，原因是大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)出口段35°的彎管前有一段長直段，該直段具有一定的整流功能.關(guān)于去除出口段35°的彎管是否有助于減小流動(dòng)損失、進(jìn)一步降低旋渦強(qiáng)度，還有待分析.水炮主體的出口流動(dòng)有旋渦，說明內(nèi)部消旋片的安裝很有必要，此外水體的旋轉(zhuǎn)也將會(huì)在炮管內(nèi)的整流器中得到進(jìn)一步消除.

5 結(jié) 論

對于水炮射流仰角30°、管內(nèi)徑180 mm，設(shè)計(jì)流量600 m3/h的3種水炮主體開展數(shù)值模擬研究，獲得結(jié)論如下：

1) 3種水炮主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中，隨著彎管曲率R/d的增大，水力損失都減小，與估算彎管局部水力損失采用的系數(shù)減小規(guī)律一致.

2) 主體繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的出口速度分布曲線呈現(xiàn)出軸線附近較低、管壁附近出現(xiàn)峰值的形態(tài)，表明繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)使出口流體旋轉(zhuǎn)較強(qiáng).

3) 出口迪恩渦形態(tài)與彎管曲率大小及繞轉(zhuǎn)方式的不同而不同，存在反方向渦時(shí)，旋渦強(qiáng)度小.R/d為1.4時(shí)大回轉(zhuǎn)和傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)的出口具有1個(gè)基本渦，但大回轉(zhuǎn)的旋渦強(qiáng)度小.

4) 綜合分析水力損失和出口流動(dòng)參數(shù)，大回轉(zhuǎn)的繞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)形式有利于后續(xù)水炮炮管和噴嘴內(nèi)部流動(dòng).