消防水枪是消防作战中常用的主要装备之一，它能将水的静压能转化为动能，喷射出各种水流和水雾，用于灭火、冷却、隔热、和排烟等消防作业。目前消防队使用的常规水枪功能单一、后座力大、在水源不稳定时不能喷射出合适的水流。稳压型多功能消防水枪采用流体动力控制技术中的稳压节流原理，能很好地控制水枪内水流的流动特性，减少紊流。在水源状态变化时，保持喷射压力恒定，后坐力小，并能实现直流、开花和喷雾等多种喷射扑救功能
直流消防水枪是目前常用的、用途最广泛的消防水枪之一，是喷射充实水流的灭火用具，具有射程远，水量大等特点。直流水枪由消防接口、枪管和喷嘴组成。直流开关水枪是直流水枪增加球阀开关组成，可通过开关控制水流。消防接口与水带相连，尺寸由国标规定。枪管用来对来自泵的水流进行整流、挤压，将压力水引导到喷嘴，在喷嘴处水流压力是能转化为水流喷射的动能。喷嘴的形状和口径关系到水流量的大小，并且同一口径的喷嘴，由于压力不同，射程和流量也不一样，在消防车供水状况一定的通常情况下，如果需要改变流量，需要通过替换水枪来实现，一旦水源变化，消防车供水不稳定，那么直流消防水枪不能喷射出稳定的射流
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| 名称 | 型号 | 接口公称通径/mm | 当量喷嘴通径/mm | 额定工作压力/MPa | 额定流量(L/s) | 流量允差 | 射程/mm |
| 直流水枪 | QZ3.5/5 | 50 | 16 | 0.35 | 5 | ±8％ | ≥25 |
| QZ3.5/7.5 | 65 | 19 | 7.5 | ≥28 | |||
| 直流开关水枪 | QZG3.5/5 | 50 | 16 | 5 | ≥25 | ||
| QZG3.5/7.5 | 65 | 19 | 7.5 | ≥28 | |||
| 直流喷雾水枪 | QLD6.0/4.0 | 50 | 25 | 0.60 | 4 | ≥25（直流）≥12.5（喷雾） | |
| QLD6.0/6.5 | 65 | 28 | 6.5 | ≥30（直流）≥15.0（喷雾） |
消防水枪论文 作者：苏琳
消防水枪内外流场的数值模拟研究
摘要: 利用Fluent软件对水枪内外流场进行仿真模拟,分析了内流道对速率场和压力场的影响, 得出了水枪出口处气液体积分数和速率分布情况，分析了喷口开度对水枪出口速率、扩散角的影响, 为水枪流道的优化设计提供参考。
计算流体动力学CFD是传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术。由于数值模拟相对于实验研究有成本低、周期短、能获得完整的数据、能模拟出实际运行过程中各种所测数据状态等优点, 因而对设计、改造等商业或实验室应用能起到指导作用。
以往对消防水枪的研究多以实验为主, 从直观角度获取消防水枪特性参数。 而对水枪内外流动进行数值研究还不多见。笔者利用Fluent 软件对消防水枪进行计算机仿真, 分析流场的动静态特性。定量地捕捉流场各处的速率、压力和各相耦合强度等重要参数, 分析这些参数对装置性能的影响，为消防水力
装备的设计和优化提供有效手段。一、几何模型
水枪的内流道是对称结构，可以简化为二维轴对称模型，水枪的轴向为X 轴，径向为Y轴。进口是半径为25 mm的圆，出口为直径为29.5mm，中间喷芯的直径为21. 5 mm。采用非结构化网格建立流场的二维对称网格, 图 1 为对应的网格视图。
二、数值模型
在喷口处, 由于水射流与周围空气有混杂, 不是单纯的单相流问题, 而是典型的气液两相流, 需要用多相流模型模拟。湍流模型采用K-Ε 模型，气液两相流模型采用VO F 模型, 主相为水, 辅相为气。 不考虑能量(热量) 转移, 相变, 流动按不可压处理。 并对边界条件进行设置, 其中进口边界设为压力进口, 设定压力为0. 6 M Pa, 出口边界设为压力出口, 自由出流, 其他边界为粘性固体壁面边界, 速率为 0, 压力梯度为 0。
三、模拟结果
（1）速度场、压力场分析图2为压力等值线, 从图中可以看出水枪内流场的静压变化情况, 沿X 方向, 压力逐渐递减, 在圆台处和凸台处等过流截面积
变小处, 压力迅速降低, 一部分静压转化为动压, 一部分压力由于过流面积的变化而损失。图3 为在压力损失最大处的速度矢量图, 在流道的垂直拐角处有漩涡产生, 压力损失严重。（2）水枪出口特性
(1) 气液分层。图 4 为水的体积分数等值线, 可以看出在出口段气液有明显的混杂, 图 5 表示径向长度在 0. 024 m以下, 是纯气相, 随着径向长度增大, 出现气液混杂, 空气百分比变小, 最后变为纯液相。
(3) 出口速率。图6 表示出口速率大小、轴向速率、径向速率沿着水枪半径方向的变化情况, 在虚线右边是液相区的速率变化, 虚线左边是气相区的速率变化。在液相区, 喷口外边缘速率最高, 达到22 m/s, 向里则速率逐渐降低, 说明喷嘴出口处高质量流率区是比较小的一个环形域。 中间部分是气相区, 在气相区, 由于水的卷吸作用, 气相速率在靠近液相处为负, 向中间逐渐趋近于零。
另外, 可以通过计算喷嘴出口平面上的液相速率与轴向 (X 向) 的夹角即速率半角来预示水枪的射程,半角越大, 射流发散越快, 射程越近。 图 7 为出口面的速率半角, 可以看出, 在气液分界面上速率半角最大,为 59°, 随着径向长度变大, 速率逐渐收敛, 速率半角逐渐变小, 在最外侧, 速率半角降低到 5°, 出口速率的收敛情况非常好。
( 4) 喷口开度对流场的影响。通过喷芯的轴向移动, 调节喷口的开度为2. 5 mm和3. 5 mm , 观察喷口开度对内流场的影响。研究发现, 喷口开度为2. 5 mm , 流量为7. 2 L/s, 开度为3. 5 mm , 流量为 9. 0 L /s。图8 表示在出口平面气液两相的混掺程度, 开口越小, 气体所占的体积分数越大, 气液掺混程度越大, 被带动的周围介质越多, 使射流本身的速率沿流向减小得越快, 环形水柱厚度越小, 不利于射流的收敛。图9 表示的是在出口平面上, 液相的速率随Y 轴的变化曲线。可以看出,在出口最大速率随开口变化不大, 但平均速率随开口减小而减小。
四、射流分析
水枪射流是非淹没自由射流, 射流射入空气后, 由于湍流的脉动, 卷吸周围静止的空气进入射流, 两者混杂向前运动, 射流宽度沿流向越来越大, 流速越来越慢。影响射程的因素很多, 包括出口速率大小、扩散角、中空度、速率均匀度等, 各种因素相互影响相互制约,但判断射程的远近最直观的方法是看射流核心区的长度, 射流核心区指由喷口开始, 射流未受混掺而保持原出口流速流动的中心部分。 射流核心区越长, 射程越远。水枪设计的好坏主要看射流情况, 在使用中更受关注的也是水在空气中的外流场情况, 因此, 笔者对水枪的射流进行了模拟。 在水枪出口建了一个轴向长度为300 mm、半径为150 mm 的区域, 进行外流场模拟。速率场矢量分布见图 10, 轴向速率场等值线见图11。
从图10和图11可以看出, 水喷出后, 出口处是圆环状射流, 中间空心, 在水流的带动下, 水枪出口处产生了一对旋转方向相反的对称漩涡, 水喷出后由于与中心空气的速率差, 速率迅速收敛, 呈圆柱状喷出。
五、结论
利用Fluent软件, 可以对水枪的内外流场进行仿真模拟, 反映水枪的喷射情况, 实现流场的可视化, 并得到不同位置的速率、压力、气液掺混程度等参数。 在今后的工作中, 可以通过数值模拟与试验相结合的方式反映水枪不同结构尺寸对喷射性能的影响, 指导水枪的流道设计。
喷口的开度可以用来调节水枪的流量, 但是开口变小, 气液掺混程度变大, 不利于速率收敛, 出口平均速率降低, 压力损失变大, 因此不宜通过移动喷芯改变喷口的大小来调节流量。 水枪设计时可将出口流道设计成流线型, 让最低压力点尽量后移, 使势流的降压区加长, 粘性摩擦阻力和压差阻力将大大减小。
为了提高计算精度, 减少运算时间, 需要根据初步计算结果对网格进行局部加密, 尤其是射流部分和气液分层处。
