消防水枪是和消防水带接口相连接的金属喷头，用来提高水带内水流的速度，并把水或泡沫液体以某种形状的射流喷射出去。
直流水枪：由枪筒和喷嘴所组成。枪管一般用圆锥管制作，枪管装有导流片，以消除水的横向流动和旋转流动，枪管的作用是整流和增速。喷嘴采用具有出口断面方向收敛的锥体形状。
开花水枪：是一种具有使水流变为密集或开花两种性能的消防水枪，开花直流水枪的枪管中有两种装置：一是流调节阀，控制直流射流，该水流由枪管中间通向直流喷嘴；二是开花调节阀，控制开花射流，该水流由枪管管壁通向开花水节阀。可用来补救室内火灾或掩护消防员进入火场。
开关水枪：该水枪在枪管上装有开关，可控制水流的开关或关闭，因此对于扑救高出、远处和室内火灾更为适用。使用开关水枪时，应缓慢开启或关闭，否则易发生水带破裂或人身事故。
消防水枪的使用
(1)操作直流水枪射水时，考虑反作用力影响。
(2)使用开关水枪时，开关动作应缓慢进行，以免产生水锤现象，造成水带破裂或影响消防员安全。
(3)火场上水枪数量的确定，应根据燃烧物状况和种类及水枪可控制面积及周长来决定。例如，一支19mm口径的水枪，工作压力为0.35MPa时，可控制燃烧面积为30～50m2，能控制的燃烧周长为8～16m。
(4)直流水枪的有效射程，可根据火灾危险类别、辐射热大小等火场具体情况确定。
扑救室内火灾，有效射程不宜小于10m、7m、15m；
扑救室外火灾，有效射程不宜小于10m、15m、17m。
另外，直流水枪的有效射程的增加是有一定限度的，其工作压力不宜超过0.70MPa。
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消防水枪内外流场的数值模拟研究 文：苏琳
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。
1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。2 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。
3 模拟结果
3. 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. 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。
(2) 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。( 3) 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。
4 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。
5 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。
