王骋煜
南京德沃克自动化有限公司 江苏南京 210000
摘要：目前城市中的大型消防场合越来越多，所以其对于消防水炮的水力性能也提出了高要求。本文旨在从消防水炮的射流控制性能与炮口段射流仿真两大方面展开具体研究。
关键词：消防水炮；水力性能；射流控制性能；炮口段射流仿真；流体力学
消防水炮是消防救援工具中的关键项，它在进行消防泡沫射流过程中必须考虑稳定性问题，这就需要研究它的射流控制性能以及炮口段射流仿真性能。即结合火灾现场的具体试验测试分析消防水炮的水力性能表现。
一、消防水炮的射流控制性能表现分析
针对消防水炮的射流控制性能表现分析设计流体力学计算（Computation Fluid Dynamic,CFD），主要利用计算机数值计算与图像显示数据结果。实际上，消防水炮的CFD表现为一种高压水射流流场，其所运用的理论思想清晰，即建立高压水射流数值模型，然后确定其具体计算方法，最后计算得出数值，了解消防水炮的射流控制性能表现。
（一）消防水炮的射流控制性能数值求解
消防水炮的射流控制性能数值在求解过程中需要了解一点，那就是它的流场是单相流动的，其流体是不可压缩的，而流动状态则设置为湍流，在该过程中可不用考虑传热瞬态问题，要首先建立方程，确立初始条件与边界条件以后再划分计算网格，生成计算节点，建立离散方程，给定最终的求解控制方程，并显示输出计算结果。在该过程中，需要分析消防水炮的瞬态问题，基于一次循环问题获得求解结果。如果无法在一次循环过程中获得问题求解结果，就必须建立多次循环结果计算体系，以下给出具体的射流控制性能数值求解过程。
首先要建立专门的消防水炮流场控制方程，具体是对水炮流场数值进行计算。在流体一般流动计算方面，需要结合控制方程分析得出结果，思考在不考虑热交换情况下如何计算水炮流场问题。在该过程中需要对流体的流动状态进行调整，将其调整为湍流运动状态为最佳，并有必要建立湍流控制方程。
其次必须确定水炮流场的边界条件与初始条件，保证水炮的流场控制方程获得有效计算结果。计算过程中要保证边界条件、初始条件以及控制方程均设计计算到位。就以初始条件设计为例，它需要基于控制方程所求未知量展开分析，了解空间中的分布状态问题，并对消防水炮的流场瞬态问题进行分析，求解相应瞬态结果，明确边界条件内容。举个例子，在消防水炮三位弯管内的流动问题进行分析，了解其弯管端面设定入口速度，保证截面压力分布到位，需要对管壁速度无滑移边界条件进行调整优化，设定合理的入口速度，确保截面上压力分布到位。
（二）消防水炮的射流控制方程提出
在求解消防水炮的射流控制性能以后，需要建立消防水炮的射流控制方程，计算其水力性能。在这里就要充分考虑质量、能量以及动量守恒定律，建立守恒方程。由于消防水炮的流体运动状态为湍流，所以必须考虑湍流控制方程，就以高压水射流为例，由于流体本身处于湍流状态，所以它的控制方程应该参考不可压缩牛顿流体，对外界水流质量输入进行分析，得出质量守恒方程如下：
在上述算式中，代表比热容，T代表温度，代表导热系数，代表流体的内热源以及机械能转换热能代表部分。需要结合消防水炮的射流运动对其热传导问题进行分析，建立不压缩流动机制，结合能量守恒问题分析联立守恒方程，确保消防水炮系统建设到位，分析水炮系统中所存在的各种化学反应。最后，在算式计算过程中对比质量守恒定律，建立守恒性质方程模型，保证不同守恒方程建立相似特点，分析方程变量中的通用变量内容[1]。
二、消防水炮的炮口段射流仿真表现分析
在针对消防水炮的炮口段射流仿真表现进行分析，需要运用到FLUENT模拟分析软件，基于复杂几何区域中的流体流动与热交换问题进行分析，对消防水炮的FLUENT数值进行分析，选择适当计算模型，对决定数值目标内容进行分析，提升计算精度。以下探讨了利用FLUENT的消防水炮求解过程。
（一）制订数值分析方案
需要首先制订数值分析方案，创建几何模型，划分网格，专门启动数值求解器，主要对导入的网格求解器进行分析，同时检查导入网格数据内容，设定求解环境模型。然后在调整控制求解参数，要专门设定控制求解相关参数，设定并开始初始条件，运算具体数值，最终显示正确的计算结果。
在消防水炮数值分析过程中，一般主要针对多孔板式消防炮进行分析，了解其炮体输出水流的稳定性进行调整，避免其能量损失过大，进而阻塞炮筒。其次，需要对消防炮的结果紧凑功能优点进行分析，充实水柱消防炮，对水炮结构性能稳定性进行调整，对消防水炮的水柱仿真内容进行分析，建立消防水炮计算域。具体来说，需要结合实体消防水炮炮管形状进行分析，适当缩小其炮管比例，明确其中的二维结构参数，如图1。
图1消防水炮炮筒的二维结构参数示意图
如图1，消防水炮炮筒的结构参数D表示其炮管主体直径，L表示炮口整流段长度，a表示炮筒炮口位置收缩段的收缩角，d表示炮口直径。从P入口对消防水炮压力进行分析，了解其对消防水炮喷射性能所产生的实际影响[2]。
（二）实施水炮数值分析方案
结合FLUENT软件对模型仿真，具体来说必须做好以下四点：
第一，要保证从目标中获取相应数据内容，获取计算精度。
第二，要基于FLUENT软件选择计算模型， 合理对物理系统抽象概括内容进行分析，确定计算域以及边界条件内容，对模型的构造方式以及网格拓扑结构进行分析。
第三，要选择消防水炮数值问题的求解模型， 分析水炮射流过程中是否存在粘连流动、层流动以及湍流问题，必要时需要考虑热交换计算方式，对流体压缩内容进行分析，建立多相流动体系。
第四，求解相对应数值模型内容，提出相应决策。在确定消防水炮模型构造方式过程中需要求解其计算公式与额外参数内容，保证做到计算过程有效收敛。必要时可采用多重网格对消防水炮收敛数据内容进行求解分析，并得出结论。
总结：
本文以流体力学深度为基础，分析了消防水炮射流控制性能与炮口段射流仿真性能，有效思考了影响流体稳定性的相关因素，为消防水炮射流能力提升提供重要技术参考。在未来，还需要对消防水炮的数值仿真结果进行进一步分析，设计实验装置对仿真结果进行实验验证，深层次了解影响消防水炮射流性能的各种参数，并有必要展开分离研究。
参考文献：
[1]瞿洋, 刘新田, 张明辉. 消防水炮射流靶点的不确定性分析[J]. 上海工程技术大学学报, 2020, 034(001):50-53.
[2]侯晓静, 毛文锋, 郑毅,等. 面向火灾事故现场的消防水炮射流轨迹预测技术综述[J]. 工业安全与环保, 2020(3):42-44.