远射程消防水炮喷嘴设计及内部流道优化

发布时间：2017-05-12 18:15

  本文关键词：远射程消防水炮喷嘴设计及内部流道优化，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：设计远射程消防水炮的关键之一在于对其流道、喷嘴、稳流器进行优化设计,尽可能地减少内部流动损失,获得良好的流动状态,从而在相同水炮入口条件下达到最远的射程。本文设计了两种结构形式的大流量消防水炮喷嘴——直流式喷嘴和导流式喷嘴,分别对这两种消防水炮喷嘴进行内部流道研究与优化。本文主要研究内容如下:(1)根据课题要求确定消防水炮的性能参数,分别对大流量直流式消防水炮与导流式消防水炮喷嘴进行结构和水力设计。结合ICEM与Fluent软件对设计的两种喷嘴进行内部流场分析,发现本文设计的直流式消防水炮与导流式消防水炮的喷嘴在额定工况下工作时压力损失较大,出口处速度不稳定,这些均会影响射流效果,缩短消防水炮的射程。故需要对这两种消防水炮喷嘴进行水力尺寸优化。在直流式消防水炮中,稳流器的结构形式对射流效果具有重要的影响;而导流式消防水炮的流道结构复杂,需要对其关键的尺寸组合进行优化改进。(2)采用相似理论设计小型直流式与导流式消防水炮喷嘴模型,通过试验研究,得到不同仰角与工作压力下两种小型消防水炮模型的射流轨迹。结合单水滴假设模型与指数增长模型等阻力模型,采用四阶龙格库塔方法计算小型消防水炮模型的射流轨迹。通过计算结果与试验测量值的比较,发现采用指数增长的阻力模型的计算结果更加符合试验测量值。对大流量消防水炮的射流轨迹进行了计算,预测了大流量消防水炮的射程。(3)结合数值模拟与响应面法对导流式消防水炮流道的水力尺寸进行多目标优化。以喷嘴的喉管通径、喉管长度和喉部收缩角为变量,以出口湍流动能最小和出口平均速度最大为目标,使用拉丁超立方设计方法进行试验设计并结合数值模拟生成响应面近似模型。利用NSGA-Ⅱ算法对喷嘴流道水力尺寸进行多目标优化并得到了帕累托最优解集。分析结果表明:响应面模型具有较高的拟合精度,可以提高喷嘴流道的优化效率;选取的三个变量中喉管通径对喷嘴的喷射性能影响最大;优化之后的出口湍流动能和出口速度这两个目标均优于初步设计的原始模型。(4)设计了截面积近似相等的三种稳流器,以稳流器占用水炮流道内部相同体积、相同表面积这两种方案,开展了直流式消防水炮在设计流量下的内部流动数值模拟研究。采用正交试验与数值模拟相结合的方法,挑选出适合大流量消防水炮的稳流器形式。通过内部流动对比分析发现,当水炮不安装稳流器时,出口轴线上的流速增加的少,出口流态明显不均匀。水炮加装三种稳流器后产生的总流动损失都大约在0.1-0.13MPa范围内,稳流器区域产生的流动损失约占总损失的55%。对于截面积相近而截面形式不同的稳流器,稳流器表面积的影响大于稳流器体积的影响。稳流器长度尺寸仍需要结合消防水炮的设计尺寸来优化,存在合适长度值,达到该长度后,安放位置对稳流效果的影响不大。
【关键词】：消防水炮 射流轨迹 数值模拟 多目标优化 稳流器
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU998.13
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 研究背景12
• 1.2 消防水炮分类及特点12-16
• 1.3 消防水炮国内外发展现状及趋势16-17
• 1.3.1 国内外发展现状16
• 1.3.2 国内外发展趋势16-17
• 1.4 消防水炮国内外研究现状17-20
• 1.4.1 消防水炮水力设计与优化17-18
• 1.4.2 消防水炮稳流器设计18-19
• 1.4.3 消防水炮射程预测19
• 1.4.4 射流内外流场模拟19-20
• 1.5 本文研究内容20-22
• 第二章 大流量消防水炮喷嘴设计及内部流动模拟22-32
• 2.1 大流量消防水炮喷嘴设计22-27
• 2.1.1 直流式消防水炮喷嘴设计22-24
• 2.1.2 导流式消防水炮喷嘴设计24-27
• 2.2 消防水炮内部流动数值模拟27-31
• 2.2.1 三维水体建模27
• 2.2.2 计算域网格划分27-28
• 2.2.3 Fluent前处理设置28
• 2.2.4 数值模拟结果分析28-31
• 2.3 小结31-32
• 第三章 小型消防水炮模型试验研究及射程预测32-42
• 3.1 相似理论32
• 3.2 小型消防水炮模型尺寸计算32-34
• 3.2.1 各物理量参数缩尺关系32
• 3.2.2 小型消防水炮模型喷嘴各参数计算32-33
• 3.2.3 验证33-34
• 3.3 小型消防水炮模型实验研究34-38
• 3.3.1 试验方案设计34-35
• 3.3.2 射流轨迹测量方法35-36
• 3.3.3 试验结果分析36-38
• 3.4 消防水炮射程预测38-41
• 3.5 小结41-42
• 第四章 导流式消防水炮流道尺寸优化42-54
• 4.1 消防水炮喷嘴的数值计算42-45
• 4.1.1 建立计算域模型42-43
• 4.1.2 网格划分与求解器设置43-44
• 4.1.3 网格无关性检验44
• 4.1.4 数值计算结果44-45
• 4.2 响应面近似模型45-48
• 4.2.1 设计变量45-46
• 4.2.2 最优拉丁方设计46-47
• 4.2.3 RSM响应面近似模型47-48
• 4.3 消防水炮喷嘴多目标优化48-52
• 4.3.1 NSGA-Ⅱ遗传算法48-50
• 4.3.2 多目标优化数学模型50
• 4.3.3 优化结果分析50-52
• 4.4 小结52-54
• 第五章 直流式消防水炮稳流器优化54-69
• 5.1 稳流器结构形式55-56
• 5.2 数值模拟方案及方法56
• 5.3 不同稳流器结构对比分析56-61
• 5.3.1 出口处轴线速度56-57
• 5.3.2 流动参数对比57-59
• 5.3.3 断面速度分布对比59-60
• 5.3.4 稳流器长度及位置60-61
• 5.4 稳流器参数正交试验61-67
• 5.4.1 试验目的61
• 5.4.2 试验指标61-62
• 5.4.3 试验因素及试验方案62-63
• 5.4.4 试验结果分析63-67
• 5.5 小结67-69
• 第六章 总结与展望69-72
• 6.1 结论69-70
• 6.2 展望70-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 作者攻读硕士学位期间取得的相关科研成果77-78

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本文编号：360507