本發(fā)明涉及消防栓，尤其是涉及一種高射程消防栓噴口的設計方法。

背景技術：

19世紀末，消防車的誕生,給消防事業(yè)帶來了革命性的變化。大小不一的各類水槍紛紛脫穎而出,水槍等級的劃分,則是根據(jù)用于撲救各類建筑物火災的等級來確定的。到了20世紀，消防水車的發(fā)展已經(jīng)進入到各個專業(yè)類?？晒┫狸爢T使用的水槍,其噴射方式就有許多種，從直噴到散噴，再到霧噴。20世紀30年代，首次出現(xiàn)了軸向供水卷盤式水槍，20世紀50年代末，消防水槍的發(fā)展進一步細化，開發(fā)出各種類別火災的專用水槍,例如,自動噴射式水槍，專用于電氣火災的水槍，以及噴射泡沫的水槍等。

然而目前應用的水槍普遍為直流式的，如圖1所示，為變截面的椎體，收縮曲線為直線，流體經(jīng)過此種噴口時會產(chǎn)生較大的壓力損失。根據(jù)參考文獻(謝佩珍，劉耀榮，消火栓噴頭及自噴系統(tǒng)噴頭的水力計算，中國給水排水，2002，18(2))可知流體在水槍噴口中的壓力損失較大時，容易在收縮加速過程中產(chǎn)生流壁分離現(xiàn)象，損失更多的能量，縮短噴射距離。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高射程消防栓噴口的設計方法。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)設計三維模型，利用catia將噴口簡化為如圖4；

2)利用ansys對實體進行網(wǎng)格劃分；

3)利用fluent進行分析已經(jīng)畫好的網(wǎng)格，得出數(shù)據(jù)后用tecplot軟件處理圖像。

本發(fā)明將原來的直線型收縮段噴口改進為雙三次型曲線噴口，利用風洞設計中的原理方法，減少流體流經(jīng)噴口過程中產(chǎn)生的氣壁分離，大幅度降低了流體流動過程中的壓力損失，進而可以使消防栓噴射出來的水柱更遠，解決消防栓的射程問題。

附圖說明

圖1為原水槍噴口的實體模型圖。

圖2為本發(fā)明實施例改進方案示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例改進后噴口示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例直線型模型實體簡化圖。

圖5為本發(fā)明實施例雙三次型模型實體簡化圖。

圖6為本發(fā)明實施例直線型模型x方向速度圖。

圖7為本發(fā)明實施例直線型模型壓力云圖。

圖8為本發(fā)明實施例雙三次型模型壓力云圖。

圖9為本發(fā)明實施例雙三次型模型x方向速度圖。

具體實施方式

以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)設計三維模型，利用catia將噴口簡化為如圖4和5；

2)利用ansys對實體進行網(wǎng)格劃分；

3)利用fluent進行分析已經(jīng)畫好的網(wǎng)格，得出數(shù)據(jù)后用tecplot軟件處理圖像。

為了避免在收縮加速過程出現(xiàn)的流壁分離現(xiàn)象，借鑒風洞設計過程中的曲線收縮形式，通過學習與查閱相關知識，風洞的收縮曲線有雙三次曲線、五次方曲線等，本發(fā)明采用雙三次方曲線。雙三次曲線方程如下，此處xm取0.5。

其中，xm為兩曲線前后距離點，l為噴管長度，r1為噴口進口半徑，r2為噴口出口半徑，r為流向距離為x處的截面半徑。

將設計半徑以及長度等帶入上式，得到圖2所示的雙三次曲線，用此曲線代替原噴口收縮段曲線，設計出如圖3所示的新型噴口，與原噴口相同的是，水流從口徑較大的一端高速流入口徑較小的一端，最后從窄口徑流出，由于流動過程中截面積逐漸變小，使得水流速度逐漸增大，最后以高速流出。

以下為本發(fā)明設計發(fā)明的方法及過程：

發(fā)現(xiàn)問題：觀察現(xiàn)有消防栓噴口之后，發(fā)現(xiàn)目前通用的消防水槍噴口的邊界均為直線型構(gòu)型，直線型收縮段雖然可以實現(xiàn)流速增大，但根據(jù)數(shù)值仿真模擬結(jié)果可知，直線收縮段會使經(jīng)過的流體產(chǎn)生分離，產(chǎn)生壓力損失，進而減小水槍射程。為了驗證理論，首先建立直線型收縮噴管的三維模型，見圖1。針對該三維實體模型，如圖6對該模型內(nèi)流動情況進行數(shù)值仿真模擬計算，計算結(jié)果如圖7和8所示，直線型收縮段噴口在流向上的速度變化及壓力變化均證明流體在入口階段會發(fā)生流壁分離，使水流在靠近壁面的區(qū)域產(chǎn)生回流現(xiàn)象，嚴重損失水流的能量，使水流出口速度減小，縮短射程。

提出設想：將根據(jù)文獻1可知，風洞采用雙三次曲線收縮段可大大改進流體分離現(xiàn)象，由于消防栓工作原理與風洞類似，則將消防栓噴口內(nèi)壁輪廓線改進設計為曲線會大大改進流壁分離現(xiàn)象，從而增大消防栓噴口射程。

設計及驗證：而從圖8和9中可以看到，采用雙三次曲線收縮段之后，噴管內(nèi)部水流流線順滑，壓力梯度均勻，不會產(chǎn)生壁面分離，保證了流體的能量。故采用雙三次曲線改進此噴口的方案可有效增大消防栓噴口射程。

從圖8和9中可以看出，直線型收縮段確實會使壁面產(chǎn)生分離，使流體在靠近壁面的區(qū)域產(chǎn)生回流現(xiàn)象，這會嚴重損失流體的能量，使出口速度減?。徊捎秒p三次曲線之后，噴管每部流線順滑，壓力梯度均勻，不會產(chǎn)生壁面分離，保證了流體的能量。故采用雙三次曲線改進此噴口的方案可行。

技術特征：

技術總結(jié)
一種高射程消防栓噴口的設計方法，涉及消防栓。設計三維模型，利用CATIA將噴口簡化；利用ANSYS對實體進行網(wǎng)格劃分；利用FLUENT進行分析已經(jīng)畫好的網(wǎng)格，得出數(shù)據(jù)后用Tecplot軟件處理圖像。將原來的直線型收縮段噴口改進為雙三次型曲線噴口，利用風洞設計中的原理方法，減少流體流經(jīng)噴口過程中產(chǎn)生的氣壁分離，大幅度降低了流體流動過程中的壓力損失，進而可以使消防栓噴射出來的水柱更遠，解決消防栓的射程問題。

技術研發(fā)人員：鮑鋒;邱玥;江裕榮
受保護的技術使用者：廈門大學
技術研發(fā)日：2017.04.24
技術公布日：2017.08.04