一种高射程消防栓喷口的设计方法与流程

本发明涉及消防栓，尤其是涉及一种高射程消防栓喷口的设计方法。

背景技术：

19世纪末，消防车的诞生,给消防事业带来了革命性的变化。大小不一的各类水枪纷纷脱颖而出,水枪等级的划分,则是根据用于扑救各类建筑物火灾的等级来确定的。到了20世纪，消防水车的发展已经进入到各个专业类。可供消防队员使用的水枪,其喷射方式就有许多种，从直喷到散喷，再到雾喷。20世纪30年代，首次出现了轴向供水卷盘式水枪，20世纪50年代末，消防水枪的发展进一步细化，开发出各种类别火灾的专用水枪,例如,自动喷射式水枪，专用于电气火灾的水枪，以及喷射泡沫的水枪等。

然而目前应用的水枪普遍为直流式的，如图1所示，为变截面的椎体，收缩曲线为直线，流体经过此种喷口时会产生较大的压力损失。根据参考文献(谢佩珍，刘耀荣，消火栓喷头及自喷系统喷头的水力计算，中国给水排水，2002，18(2))可知流体在水枪喷口中的压力损失较大时，容易在收缩加速过程中产生流壁分离现象，损失更多的能量，缩短喷射距离。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高射程消防栓喷口的设计方法。

本发明包括以下步骤：

1)设计三维模型，利用catia将喷口简化为如图4；

2)利用ansys对实体进行网格划分；

3)利用fluent进行分析已经画好的网格，得出数据后用tecplot软件处理图像。

本发明将原来的直线型收缩段喷口改进为双三次型曲线喷口，利用风洞设计中的原理方法，减少流体流经喷口过程中产生的气壁分离，大幅度降低了流体流动过程中的压力损失，进而可以使消防栓喷射出来的水柱更远，解决消防栓的射程问题。

附图说明

图1为原水枪喷口的实体模型图。

图2为本发明实施例改进方案示意图。

图3为本发明实施例改进后喷口示意图。

图4为本发明实施例直线型模型实体简化图。

图5为本发明实施例双三次型模型实体简化图。

图6为本发明实施例直线型模型x方向速度图。

图7为本发明实施例直线型模型压力云图。

图8为本发明实施例双三次型模型压力云图。

图9为本发明实施例双三次型模型x方向速度图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明包括以下步骤：

1)设计三维模型，利用catia将喷口简化为如图4和5；

2)利用ansys对实体进行网格划分；

3)利用fluent进行分析已经画好的网格，得出数据后用tecplot软件处理图像。

为了避免在收缩加速过程出现的流壁分离现象，借鉴风洞设计过程中的曲线收缩形式，通过学习与查阅相关知识，风洞的收缩曲线有双三次曲线、五次方曲线等，本发明采用双三次方曲线。双三次曲线方程如下，此处xm取0.5。

其中，xm为两曲线前后距离点，l为喷管长度，r1为喷口进口半径，r2为喷口出口半径，r为流向距离为x处的截面半径。

将设计半径以及长度等带入上式，得到图2所示的双三次曲线，用此曲线代替原喷口收缩段曲线，设计出如图3所示的新型喷口，与原喷口相同的是，水流从口径较大的一端高速流入口径较小的一端，最后从窄口径流出，由于流动过程中截面积逐渐变小，使得水流速度逐渐增大，最后以高速流出。

以下为本发明设计发明的方法及过程：

发现问题：观察现有消防栓喷口之后，发现目前通用的消防水枪喷口的边界均为直线型构型，直线型收缩段虽然可以实现流速增大，但根据数值仿真模拟结果可知，直线收缩段会使经过的流体产生分离，产生压力损失，进而减小水枪射程。为了验证理论，首先建立直线型收缩喷管的三维模型，见图1。针对该三维实体模型，如图6对该模型内流动情况进行数值仿真模拟计算，计算结果如图7和8所示，直线型收缩段喷口在流向上的速度变化及压力变化均证明流体在入口阶段会发生流壁分离，使水流在靠近壁面的区域产生回流现象，严重损失水流的能量，使水流出口速度减小，缩短射程。

提出设想：将根据文献1可知，风洞采用双三次曲线收缩段可大大改进流体分离现象，由于消防栓工作原理与风洞类似，则将消防栓喷口内壁轮廓线改进设计为曲线会大大改进流壁分离现象，从而增大消防栓喷口射程。

设计及验证：而从图8和9中可以看到，采用双三次曲线收缩段之后，喷管内部水流流线顺滑，压力梯度均匀，不会产生壁面分离，保证了流体的能量。故采用双三次曲线改进此喷口的方案可有效增大消防栓喷口射程。

从图8和9中可以看出，直线型收缩段确实会使壁面产生分离，使流体在靠近壁面的区域产生回流现象，这会严重损失流体的能量，使出口速度减小；采用双三次曲线之后，喷管每部流线顺滑，压力梯度均匀，不会产生壁面分离，保证了流体的能量。故采用双三次曲线改进此喷口的方案可行。

技术特征：

技术总结
一种高射程消防栓喷口的设计方法，涉及消防栓。设计三维模型，利用CATIA将喷口简化；利用ANSYS对实体进行网格划分；利用FLUENT进行分析已经画好的网格，得出数据后用Tecplot软件处理图像。将原来的直线型收缩段喷口改进为双三次型曲线喷口，利用风洞设计中的原理方法，减少流体流经喷口过程中产生的气壁分离，大幅度降低了流体流动过程中的压力损失，进而可以使消防栓喷射出来的水柱更远，解决消防栓的射程问题。

技术研发人员：鲍锋;邱玥;江裕荣
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2017.04.24
技术公布日：2017.08.04