张 静， 陈生国,2， 张 平， 张 丽， 龚 斌

(1.沈阳化工大学 机械与动力工程学院， 辽宁 沈阳 110142；2.辽宁省鞍山市消防救援支队， 辽宁 鞍山 114000)

直流水枪具有射程远和流量大的特征，在户外消防作业中优势明显，其制造和加工相对简单，是灭火一线常用消防器材.在使用过程中，与水枪连接的水带和管路扭曲，流体通道产生剧烈扭转，进入水枪的流体具有很高的湍流动能和大量的二次流涡旋.由于流体在水枪中的行程较短，无法有效降低湍流和涡旋的强度，当流体从水枪出口喷出时会缩短射程，增加喷射角.将湍流动能转化为轴向动能，提高能量转化效率，是消防直流水枪结构设计的重点.

为了在水枪较短的流道长度内提高流动稳定性和水流的轴向动能，安装稳流器是常用的解决方案.胡国良等采用多矩形稳流器和弹尾形稳流器，将湍流程度较高的水流分为多个稳定的细水流用于灭火和除尘降霾[1-2].向清江等提出一种消防水炮消旋装置，利用弯头内部的消旋片、喷管内部的稳流器以及喷嘴内的微小导流槽显著提高了消防水炮的射程[3].袁丹青等发明了一种新型远射程消防水炮，进水管内部有导流片，出口流动状态平顺而且射程远[4].对消防水枪稳流器稳流性能的研究以带稳流器的水枪内部水力学性能为主，研究方法采用数值模拟[5-7].袁晓明等采用实验方法对水枪的射程进行实测以验证稳流器的性能，提出当星型稳流器叶片数量为6时，直流水枪具有较好的水力学综合性能[8].陈玉先提出由6个管结构组合成的稳流器，降低了加工难度，提高了水枪的力学性能[9].研究表明，稳流器对降低湍流动能和消除旋流起重要作用.然而，现有研究的稳流器轴向长度较短，一些强漩涡无法消除[10].Laribi等对星型稳流器的研究表明：阀门全开时，稳流器长度对流动影响不明显；阀门半开时，有效长度为2倍管径长度的圆截面管道水力学性能最佳[11].汤攀等对3种稳流器的研究表明，筋片形稳流器对出口湍流动能影响最大，并提出其长度最好与喷管长度相等[12].

三叶片星型稳流器普遍应用于消防直流水枪中，将来流分为3个部分，在流动过程中消除内部的强旋流流动[13].本文对三叶片星型稳流器进行改型设计，在整体长度不变基础上，沿轴向断开为2～6段，并沿周向错位布置.以压力损失和湍流动能为评价指标，研究稳流器分段数量对直流水枪水力学性能的影响，并利用实验进行验证.

1 数值模拟

1.1 物理模型

建立如图1所示的6种稳流器几何模型，为方便对模型进行命名，将不分段的稳流器命名为模型M1.错位分布式稳流器模型，按照沿轴向分布的稳流结构数量命名为M2～M6.以M3为例，错位分布式稳流器计算域尺寸示意图如图2(a)所示，与在用消防直流水枪内腔体的实际结构一致.稳流器横截面示意图如图2(b)所示.

图1 稳流器结构几何模型

图2 直流水枪结构尺寸

图2(a)中，流体入口直径65 mm，出口直径25 mm.稳流器与入口截面距离200 mm，稳流器总长度L=150 mm.图2(b)中，单段稳流器由3个2 mm厚的矩形薄板组成，薄板间夹角120°.相邻两段稳流器错位分布，夹角60°.为方便对模型进行命名，取N代表稳流器分段数量，l为单段稳流器长度，l=L/N.如M3代表均布分段数量N=3的稳流器，单段稳流器l=50 mm.

1.2 网格分布

结构化网格不仅使仿真更容易收敛，而且能够保证流场计算结果的精确度.对直流水枪内流体域模型进行六面体结构化网格划分，经过网格无关性验证，确定单网格体积范围为0.058～4.5 mm3，能够满足计算精度要求.由于M1～M6存在结构差异，计算域网格数量在1 271 984～1 635 735之间.图3(a)为直流水枪内计算域网格分布.图3(b)为M3稳流器表面网格分布.

图3 网格分布

1.3 模型选择及边界条件

流体介质为20 ℃不可压缩水，其密度ρ=998.2 kg·m-3，黏度μ=0.001 003 kg·m-1·s-1.边界条件采用质量流量入口和压力出口，壁面光滑无滑移.入口体积流量为6.5 L·s-1(质量流量为6.488 3 kg·s-1)，入口压力与消防车水泵压力保持一致，定义为pin=0.8～1.8 MPa，湍流强度设置为Iin=30 %、40 %、50 %.计算的雷诺数为Re=126 714，远远高于临界雷诺数，为此选用标准k-ε模型[14]模拟水枪内部流体流动.压力速度耦合采用SIMPLEC，压力离散采用标准格式，动量、湍流动能及湍流动能耗散率均采用二阶迎风格式离散.设置连续性方程迭代收敛极限为10-4，速度和湍流项收敛极限均低于10-4.

2 直流水枪射流实验

为研究6种稳流器水力学性能的差异，以现有QZG65消防直流开关水枪为实验主体，其内部加入图1设计的稳流器结构.流量设置为6.5 L·s-1，压力设置为pin=1.0 MPa.调整水枪前弯道提高水枪入口处流体的湍流强度，实验喷射仰角为45°，现场水枪射流实验如图4 所示.设置4个拍摄机位，以消防战士站位为参照，消防水枪的枪口位置为射流起点，站1位消防战士，每隔10 m站立1位消防战士，共5人.

图4 消防直流水枪射流实验

实际救援工作中，在建筑火灾发展初期利用直流水枪进行外部控制火势，有助于在车载炮展开之前控制初期火灾，掩护消防救援人员内攻.因此，射流距离和射流扩展范围更适合作为消防直流水枪的工作性能评价参数.其原因在于，射流距离远能够保障消防员的安全，射流扩展范围越小水力越集中，不仅能够有效控制火情，而且节省水资源.直流水枪最远射程用射流最远落点与射流起点之间的距离表示.射流从水枪出口喷出形成近似圆锥面，射流扩展半角定义为圆锥面的锥顶半角.经过视频处理得到水枪最远射程和扩展半角，如表1所示.由表1可知：在流量为6.5 L·s-1，压力pin=1.0 MPa时，装有M1稳流器的消防直流水枪射程最远.加装M3稳流器直流水枪的射流扩展角度最小.同时发现，射流在出口处会有一定偏角，稳流器的段数越多，射流方向越稳定.

表1 直流水枪射流特性分析

3 稳流器性能评价

3.1 阻力系数

直流水枪计算流体域水平放置，忽略重力和进出口位差.取水枪的入口截面和出口截面计算流动阻力，两截面间的伯努利方程为

(1)

式中：pin和pout分别为入口和出口平均静压力，Pa;ρ为流体密度，kg·m-3;g为重力加速度，设置为9.81 m·s-2;uin和uout为入口和出口平均速度，m·s-1;hf为入口和出口截面的总能量损失压头,m.

图5分析了稳流器分段数量对能量损失的影响.可以看出：随着入口压力的提高，总能量损失增加；随着稳流器分段数量的增加，总能量损失增加；入口湍流强度对总压力损失影响较小.

图5 稳流器分段数量对能量损失的影响

3.2 湍流动能

6种稳流器模型进出口湍流动能差值如图6所示.可以看出：随着入口压力的提高，进出口湍流动能差值增加；随着稳流器分段数量的增加，进出口湍流动能差值呈现下降趋势；按照入口湍流强度不同，进出口湍流动能差值明显分成3个区段.

图6 稳流器分段数量对湍流动能的影响

上述分析表明在稳流器总长度一致条件下，分段数量对水枪内部的稳流作用存在差异.这些差异与入口压力和湍流动能的影响相比，稳流器分段的稳流作用更大.从能量损失和湍流动能的角度来看，稳流器分段导致水枪进出口阻力增加，湍流动能差值降低.然而，从直流水枪射流实验可以看出，适当分段可使水流更集中，方向更稳定.为了分析其原因，对入口压力pin=1.0 MPa条件下直流水枪内部流场进行分析.选择水枪轴向z=360 mm截面分析轴向速度、径向速度和涡量分布，对比流体流过稳流器时的流动状况.

3.3 速度特性

3.3.1 轴向速度分布

轴向速度与水枪的射程直接相关，图7分析了6种结构稳流器M1～M6横截面z=360 mm的轴向速度分布.从图7可以看出：M1稳流器内流体被分成3股流体，轴向速度范围在0～7.02 m/s，速度分布相对其他稳流器更均匀；M2～M6稳流器内流体被分为6个部分，随着分段数量增加，速度最大值由7.18 m/s增加到13.59 m/s.但中心速度逐渐降低.对uz/uin>1的面积进行计算，与横截面面积之比列于图8中.由图8可以看出：随着入口湍流动能的增加，uz/uin>1的面积提高.其中，稳流器分段数N=2的面积最大，比分段数N=1的面积增加了7.34 %.

pin=1.0 MPa，Iin=30 %

图8 稳流器分段对轴向速度的影响

3.3.2 径向速度分布

径向速度与水枪的射流扩展半角直接相关，图9分析了6种结构稳流器M1～M6横截面z=360 mm 的径向速度分布.

pin=1.0 MPa，Iin=30 %

从图9可以看出：由于水枪沿轴向截面面积是收缩的，M1～M5稳流器内流体径向速度均由壁面指向轴心.M6稳流器内近壁面局部流体的径向速度由中心指向壁面，这是导致射流扩展角增大的主要原因.对ur/uin<-0.01的面积进行计算，与横截面面积之比列于图10.由图10可知：ur/uin<-0.01的面积不受水枪入口湍流动能影响；M1～M5稳流器随着分段数量的增加，ur/uin<-0.01的面积增大，但M6的面积缩小.其中，M5稳流器面积相对M1稳流器提高了7.27 %，对降低水枪射流扩散有一定作用.

图10 稳流器分段对径向速度的影响

3.4 轴向涡量分布

轴向涡量被用作表征二次流涡旋强度，稳流器的其中一个作用正是消除较强的轴向涡旋.轴向涡量公式定义为

(2)

式中：uθ、ur为周向和径向速度；r为径向坐标；θ为周向角度坐标.

图11分析了6种结构稳流器M1～M6横截面z=360 mm的轴向涡量分布.

pin=1.0 MPa，Iin=30 %

从图11可以看出：稳流器叶片附近形成较高涡量区域.为评价二次流涡旋在横截面上的强度，对|ωz|<10 s-1的面积进行计算，与横截面面积之比列于图12中.由图12可以看出：随着入口湍流动能的增加，|ωz|<10 s-1的面积增加.稳流器分段数N=3的面积最大，相对N=1提高了42.9 %，有效降低了涡旋强度.其次为N=2的M2稳流器，相对N=1提高了27.0 %.

图12 稳流器分段对轴向涡量的影响

4 结 论

在消防直流水枪内置入稳流器，稳流器沿轴向分为1～6段，相邻两段错位布置.对入口体积流量为6.5 L·s-1的6种稳流器进行实验与数值模拟的比对，研究稳流器对水枪内流场流体力学性能的影响.具体结论如下：

(1) 稳流器分段数量增加，流动阻力增加，进出口湍流动能差值减小.随着进口压力的提高，流动阻力和湍流动能差值均增加.

(2) 稳流器轴向分段数量越多，轴向速度最大值越高.其中，M2稳流器轴向速度uz/uin>0.01的面积最大.

(3) 流体流过稳流器，径向速度均由壁面指向轴心.M5稳流器径向速度ur/uin>0.01的面积最大.

(4) 流体流过稳流器，在叶片附近轴向涡量较高.稳流器分为3段时，轴向涡量分布最均匀，涡量绝对值小于10 s-1的区域最大.