改進(jìn)消防水槍性能的實(shí)驗(yàn)研究

文/王紅霞 廖振方 陳德淑

摘要:針對目前消防水槍中出現(xiàn)的問題，為提高水槍射流的噴射距離和滅火效果，對國產(chǎn)現(xiàn)用消防水槍提出了改進(jìn)方案。改進(jìn)后的水槍由整流器、自激振蕩脈沖射流噴嘴和接頭所組成。實(shí)驗(yàn)觀測:射流以脈沖形式噴出，如同一連串的水彈.噴射距離也有一定程度的提高。

關(guān)鍵詞:消防水槍;自激振蕩脈沖射流;噴嘴

根據(jù)湍流理論以及自激振蕩脈沖噴嘴理論，改進(jìn)后的消防水槍的外形圖如圖1所示:

消防水槍通常采用帆布管連接，帆布管的粗糙度較大，而且常伴隨有彎曲、收縮和扭曲。水流通過帆布管時(shí)，除了水流本身的自然紊流外還會產(chǎn)生附加渦流。因此，水流在帆布管內(nèi)的流動是自然紊流和附加渦流疊加，附加渦流的存在，直接影響出口射流的品質(zhì)(如射距和打擊力)和滅火效果。為了消除有害的附加渦流，水流進(jìn)人水槍后能穩(wěn)定地流動，一般常用整流器來消除。

1整流器的工作原理

目前國內(nèi)外使用的整流器大致有星型、機(jī)翼型、蜂巢型和井字型等。根據(jù)功能的不同，它的結(jié)構(gòu)、尺寸和形狀都有一定的要求，否則安在液流流場中的整流器可能本身就成為擾動源，不僅不能提高射流品質(zhì)而且還大大有害。

目前使用的整流器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在這幾種整流器中機(jī)翼型整流器對軸向渦流的消除效果**.但它的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在消防水槍中難以實(shí)現(xiàn);星型整流器在消防水槍干管相對較短的情況下效果也不理想;井字型雖可減少長度，但消除軸向旋渦效果不如蜂巢型。本實(shí)驗(yàn)決定選用蜂巢型(管式)整流器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。蜂巢型整流器的工作原理:當(dāng)液體進(jìn)人蜂巢型整流器后，液體被分割成幾股平行液流，從各個(gè)小管流出，從而消除了軸向旋渦，整流器干管長度也較短(一般為200 mm～250 mm)。整流器前應(yīng)有直線段長度(一般為干管直徑的1. 5～2.0倍)。實(shí)驗(yàn)用水槍干管的直徑為60 mm，直線段長度選為100 mm，水槍接口直徑5 6mm，水槍接口應(yīng)平滑過度到60 mm的干管直徑處實(shí)驗(yàn)表明蜂巢型整流器中的管子內(nèi)徑為20 mm ～25mm時(shí)效果較好在干管內(nèi)徑為60 mm條件下。共安裝4根管子(壁厚為1 mm )。整個(gè)整流器的長度為350mm

2噴嘴的收斂角

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)用水槍噴嘴的收斂角一般為9°。收斂效果不太理想，目前一般認(rèn)為LEE'S噴嘴效果較好。它的收斂角為12. 5 °～13. 5 °。實(shí)驗(yàn)用噴嘴的收斂角選定為13°。

3自激振蕩脈沖噴嘴

目前在消防水槍中所用的噴嘴是連續(xù)射流.顯然將連續(xù)射流變成脈沖射流能大大地增強(qiáng)滅火效果目前產(chǎn)生脈沖水射流的方法有:脈沖水炮、機(jī)械阻斷裝置、利用管道系統(tǒng)和流體的彈性共振產(chǎn)生脈沖水射流以及電液壓脈沖水射流等，這些方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜.操作困難不適用于消防水槍，因此采用了作者發(fā)明和研制成功的自激振蕩脈沖射流噴嘴。自激振蕩脈沖射流噴嘴結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無外加驅(qū)動裝置和活動部件

4自激振蕩脈沖射流暗嘴的工作原理

自激振蕩脈沖射流噴嘴的工作原理(見圖3)

當(dāng)一股穩(wěn)定的射流或剪切流從噴嘴上游向噴嘴下游流動時(shí)，因?yàn)榧羟袑硬环€(wěn)定性對渦流擾動有選擇的放大。在剪切層中形成一串離散渦環(huán)。當(dāng)其到達(dá)碰撞壁并與之相互作用時(shí)在碰撞區(qū)產(chǎn)生壓力振蕩波，該波以聲速向上游傳播，又誘發(fā)新的渦量脈動。該過程不斷往復(fù)就會形成強(qiáng)烈的自激振蕩脈沖射流。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種射流具有較大的變壓特性和很強(qiáng)的空化作用。應(yīng)用該理論研制出的自激振蕩脈沖射流噴嘴克服了現(xiàn)有消防噴嘴射程短、持續(xù)能量小等缺點(diǎn)。自激振蕩靠流體本身在合適的流體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生振蕩，因此對于自激振蕩脈沖噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在自由射流的條件下。測試了自激振蕩脈沖射流噴嘴裝置幾何參數(shù)變化對自激振蕩脈沖射流的影響，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，得出了合理的振蕩脈沖射流結(jié)構(gòu)參數(shù)。影響自激振蕩的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為無量綱腔長L/D1，上下游噴嘴直徑比D2/D1,。碰撞壁形狀等。通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論:

（1）腔長過短不能形成剪切層或剪切層的不穩(wěn)性對該范圍的擾動不敏感;腔長過大反饋的擾動不能有效激勵(lì)分離新渦量脈動的產(chǎn)生。換言之，腔長大小是與剪切層不穩(wěn)定的發(fā)展和擾動反饋密切相關(guān)，它是形成自激振蕩的關(guān)鍵參數(shù)之一。當(dāng)腔長由零逐漸增大時(shí)。射流由穩(wěn)定轉(zhuǎn)向脈動，當(dāng)L/D1＜1.0時(shí)，脈動頻率高，脈動幅值減小。當(dāng)1.0＜L/D1＜2.4時(shí)，脈動幅值突然增大，且呈現(xiàn)一定的周期性，當(dāng)L/D1繼續(xù)增大。脈動幅值開始下降，當(dāng)L/D1大于 5. 6時(shí)，脈動幾乎消失，本設(shè)計(jì)中選用L/D1=2.0

(2)上、下噴嘴直徑之比。由我們實(shí)驗(yàn)得知.當(dāng)DD, ＜G1.0時(shí)，從出口噴射出的射流脈動幅值很低，分辨不出是自激振動還是射流的紊流產(chǎn)生的脈動顯然不適合我們產(chǎn)生自激振蕩脈沖射流的設(shè)計(jì)要求試驗(yàn)表明D2/D1一1.2比較合理。

（3）碰撞壁的形狀對自激振蕩脈沖射流的幅值和頻率影響較大實(shí)驗(yàn)表明:錐形碰撞壁與渦旋相互作用產(chǎn)生的振蕩壓力系數(shù)**，平面形次之，橢球體形最差。因此，碰撞壁的形定為錐度為110°的截錐形碰撞壁。

(4)振蕩腔室的直徑。實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)振蕩腔室直徑DT太小時(shí)剪切層要受壁面限制，旋渦不能得到自由發(fā)展，在向下游的發(fā)展過程中不能產(chǎn)生重要的渦旋配對現(xiàn)象。隨著DT/D1比值增大射流強(qiáng)度增大，在DT/D1=8. 8時(shí)強(qiáng)度達(dá)到**，最后逐漸趨于平穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)中DT/D1=8. 0。

(5)必須強(qiáng)調(diào)指出:上、下噴嘴的同心度對于自激振蕩脈沖射流噴嘴的工作非常重要，振蕩腔室必須對稱，在產(chǎn)生強(qiáng)烈自激振蕩射流后，射流軸心壓力脈動強(qiáng)烈，若不能保證其同心度，從下噴嘴射出的射流品質(zhì)將受到強(qiáng)烈影響。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)是在重慶市某消防中隊(duì)進(jìn)行的。

消防泵的技術(shù)參數(shù):流量:1 600 L /min壓力:1MPa，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場見圖40

圈4自激振蕩消防水槍脈沖射流演示實(shí)驗(yàn)

消防噴嘴的出口直徑: Φ 19 mm(改進(jìn)前和改進(jìn)后的噴嘴直徑相同)

實(shí)驗(yàn)的測試是很粗糙的，采用目測和照像。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象:

(1)改進(jìn)后的消防水槍噴射出的射流以脈沖形式噴出，它如同一連串的水彈，每個(gè)水彈具有明顯團(tuán)狀形狀(見圖4)。

(2)射程較遠(yuǎn)。水槍在加裝了自激振蕩脈沖噴嘴時(shí)所做的實(shí)驗(yàn)可清楚看出其射程明顯增加(從35 m提高為40 m左右)。顯示了整流器與LEE'S噴嘴聯(lián)合應(yīng)用后，射流具有良好的收斂效果。

(3)脈沖射流水槍的后座力減小，操作人員感到輕松。