改進消防水槍性能的實驗研究

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，對國產現(xiàn)用消防水槍提出了改進方案。改進后的水槍由整流器、自激振蕩脈沖射流噴嘴和接頭所組成。實驗觀測: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。

關鍵詞:消防水槍;自激振蕩脈沖射流;噴嘴

根據湍流理論以及自激振蕩脈沖噴嘴理論，改進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，除了水流本身的自然紊流外還會產生附加渦流。因此，水流在帆布管內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(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

目前國內外使用的整流器大致有星型、機翼型、蜂巢型和井字型等。根據功能的不同，它的結構、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而且還大大有害。

目前使用的整流器的結構如圖2所示。在這幾種整流器中機翼型整流器對軸向渦流的消除效果**.但它的結構較復雜，在消防水槍中難以實現(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。本實驗決定選用蜂巢型(管式)整流器進行實驗研究。蜂巢型整流器的工作原理:當液體進人蜂巢型整流器后，液體被分割成幾股平行液流，從各個小管流出，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)。整流器前應有直線段長度(一般為干管直徑的1. 5～2.0倍)。實驗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，水槍接口應平滑過度到60 mm的干管直徑處實驗表明蜂巢型整流器中的管子內徑為20 mm ～25mm時效果較好在干管內徑為60 mm條件下。共安裝4根管子(壁厚為1 mm )。整個整流器的長度為350mm

2噴嘴的收斂角

現(xiàn)有實驗用水槍噴嘴的收斂角一般為9°。收斂效果不太理想，目前一般認為LEE'S噴嘴效果較好。它的收斂角為12. 5 °～13. 5 °。實驗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滅火效果目前產生脈沖水射流的方法有:脈沖水炮、機械阻斷裝置、利用管道系統(tǒng)和流體的彈性共振產生脈沖水射流以及電液壓脈沖水射流等，這些方法結構復雜.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構簡單、體積小、無外加驅動裝置和活動部件

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，因為剪切層不穩(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)。當其到達碰撞壁并與之相互作用時在碰撞區(qū)產生壓力振蕩波，該波以聲速向上游傳播，又誘發(fā)新的渦量脈動。該過程不斷往復就會形成強烈的自激振蕩脈沖射流。實驗發(fā)現(xiàn)這種射流具有較大的變壓特性和很強的空化作用。應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。自激振蕩靠流體本身在合適的流體結構中產生振蕩，因此對于自激振蕩脈沖噴嘴結構設計至關重要。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變化對自激振蕩脈沖射流的影響，經過實驗研究，得出了合理的振蕩脈沖射流結構參數。影響自激振蕩的主要結構參數為無量綱腔長L/D1，上下游噴嘴直徑比D2/D1,。碰撞壁形狀等。通過實驗得出以下結論:

（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分離新渦量脈動的產生。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，它是形成自激振蕩的關鍵參數之一。當腔長由零逐漸增大時。射流由穩(wěn)定轉向脈動，當L/D1＜1.0時，脈動頻率高，脈動幅值減小。當1.0＜L/D1＜2.4時，脈動幅值突然增大，且呈現(xiàn)一定的周期性，當L/D1繼續(xù)增大。脈動幅值開始下降，當L/D1大于 5. 6時，脈動幾乎消失，本設計中選用L/D1=2.0

(2)上、下噴嘴直徑之比。由我們實驗得知.當DD, ＜G1.0時，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生的脈動顯然不適合我們產生自激振蕩脈沖射流的設計要求試驗表明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驗表明:錐形碰撞壁與渦旋相互作用產生的振蕩壓力系數**，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。實驗表明:當振蕩腔室直徑DT太小時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)展過程中不能產生重要的渦旋配對現(xiàn)象。隨著DT/D1比值增大射流強度增大，在DT/D1=8. 8時強度達到**，最后逐漸趨于平穩(wěn)，實驗中DT/D1=8. 0。

(5)必須強調指出: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，在產生強烈自激振蕩射流后，射流軸心壓力脈動強烈，若不能保證其同心度，從下噴嘴射出的射流品質將受到強烈影響。

4實驗結果及分析

實驗是在重慶市某消防中隊進行的。

消防泵的技術參數:流量:1 600 L /min壓力:1MPa，實驗現(xiàn)場見圖40

圈4自激振蕩消防水槍脈沖射流演示實驗

消防噴嘴的出口直徑: Φ 19 mm(改進前和改進后的噴嘴直徑相同)

實驗的測試是很粗糙的，采用目測和照像。通過試驗發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象:

(1)改進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，每個水彈具有明顯團狀形狀(見圖4)。

(2)射程較遠。水槍在加裝了自激振蕩脈沖噴嘴時所做的實驗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。