消防脉冲水枪喷嘴结构优化研究*

邓 军，贾鹏飞，刘长春，冯载荣，白 磊，王刘兵

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西安新竹防灾救生设备有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

脉冲水枪是近年来在国外发展起来的一种高效单兵灭火装备，主要用于扑救初起、小面积的A、B类火灾、交通工具火灾和电气线路、设备火灾等[1-2]。脉冲水枪利用脉冲气压喷雾技术，以压缩空气作为动力，在极短的时间内超快开启电磁阀排出，推动储水筒中的水以极高的速度喷出，瞬时产生高速雾化水流，冲入火焰中心，产生冷却、窒息、隔离效应，从而达到灭火目的。目前，脉冲水枪的射流水柱在喷出后极易膨胀扩散，导致喷射距离较短，限制了脉冲水枪的发展。

喷嘴是高压射流的核心元件，其主要作用是将压力能转化为动能[3]，国内外学者对此展开了广泛的研究。Hoyt等[4-5]对喷嘴出口附近射流表面结构进行了捕捉，并讨论了同轴气流对射流表面结构的影响；龚辰等[6]针对喷嘴结构对射流表面波影响进行实验研究，发现喷嘴收缩比通过改变喷嘴出口处边界层厚度影响表面波变化规律，基于边界层厚度的无量纲波长基本一致；杨国来等[7]对2种不同结构型式的圆锥形喷嘴进行数值研究，发现锥直形喷嘴的长径比在2～3时速度最佳；周章根等[8]对收缩型喷嘴进行数值模拟，发现流体速度在喷嘴收缩段迅速增加，在离开喷嘴后出现等速流核区；战仁军等[9]对脉冲水枪对气液室中间的气嘴进行研究，发现过大或过小的气嘴入口面积都会减慢水炮的发射过程。以上学者的研究为喷嘴结构对射流的影响研究提供了的重要参考，但国内外对小尺寸喷嘴的结构性能研究较多，很少有人研究用于脉冲水枪的大尺寸高速高压喷嘴结构。因此，本文将对脉冲水枪的大尺寸喷嘴结构进行优化。

本文采用使用非常广泛的RNGk-ε模型模拟湍流流场[10]，利用VOF (Volume Of Fluid) 方法追踪气液界面[11]，分析了不同喷嘴结构对气液分布、能量转化、速度分布等参数的影响，结合水室中水的体积分数和出口速度曲线图对喷射周期进行研究，并得出最佳的喷嘴结构。

1 数值计算模型

1.1 控制方程与湍流模型

脉冲水枪喷射动力为高压气体，喷射过程是1个毫秒级高速的气液两相非稳态流动过程，因此，本文选取的数值模型为湍流的可压缩模型。

数值计算中用到的连续方程与动量方程分别为质量守恒方程和动量守恒方程，如式(1)和(2)所示：

(1)

(2)

式中：t为时间，ms；v为流体速度，m/s；p为压力，MPa；f为体积力N/m3；ρ为流体密度，kg/m3；μ为动力粘度，N·s/m2；F为表面张力的等价体积力形式，N/m3。

由于上述控制方程不封闭，必须引入新的湍流模型使方程组封闭。标准k-ε模型用于强旋流或带有弯曲壁面的流动时，结果会出现一定的失真，而RNGk-ε模型在ε方程中加了1个条件，并考虑到了湍流漩涡， RNG理论提供了1个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式，这些公式的作用取决于正确地对待近壁区域。这些特点使得RNGk-ε模型比标准k-ε模型有更高的可信度和精度[12]。该模型中k方程和ε方程形式如下：

(3)

(4)

式中：

μeff=μ+μt

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：C1ε，C2ε，Cμ，αk，αε，η0均为常数；Gk为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；αk和αε分别是湍动能k和耗散率ε对应的普朗特数，取值1.39；Cμ=0.084 5，C1ε=1.42，C2ε=1.68，η= 4.377，β= 0.012。

1.2 VOF模型

VOF方法是在整个流场中定义1个函数C，在每个网格中定义C为1种流体(目标流体)的体积和网格体积的比值。不包含目标流体的网格为“空”网格，充满目标流体的网格为满网格，包含界面的网格为半网格。在任意时刻，已知这个函数在每个网格上的值，就可以通过某种途径构造运动界面的具体位置，求解物理方程时，可以在界面附近做特殊的精细处理，提高分辨率和精度[13-14]。

设在计算区域中，气体所在的区域为α1，水所在的区域为α2。定义函数：

(11)

对于2种不相溶的流体组成的流场，a(x,t)满足：

(12)

式中：(u,v)是流体速度，m/s，在每个网格上定义Cij

(13)

满足：

(14)

充满气体的网格C=1称为满单元；充满水的网格中C=0称为空单元；含有流体界面的网格0

1.3 物理模型及边界条件

本文数值模拟采用脉冲水枪的二维模型和喷嘴结构如图1所示。将电磁阀简化为一圆柱，将雾化区域设置为梯形可减少计算量。

图1 喷管模型及喷嘴结构示意Fig.1 Schematic diagram of nozzle model and nozzle structure

目前脉冲水枪喷嘴为64 mm的圆柱结构，其出口速度较小，雾化效果较差，液柱纵向扩散较为迅速，喷射距离较近。为了提高脉冲水枪的性能，设计了维多辛斯基曲线结构[15]、锥直结构、锥角结构3种喷嘴结构，分别表示为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，后文均用罗马数字表示。3种喷嘴参数如下：喷嘴入口直径均为64 mm，出口直径均为28 mm，喷嘴长度均为60 mm。I结构的曲线根据维多辛斯基公式设计，其公式为：

(15)

式中：c为收缩比，c=(r0/r*)2。

网格的质量对计算的精度和收敛性影响较大，因此必须保证网格质量，考虑到近壁粘性效应，对气嘴、出口、边界层处做了加密处理，网格总数约15万。实验参数和边界条件设置见表1。

表1 模拟中的参数及边界条件设置Table 1 Parameters and boundary condition settings in the simulation

2 结果及分析

2.1 喷嘴结构对气液相分布的影响

图2为不同喷嘴结构下气液相分布图。如图2(a)所示，在射流初始阶段，喷嘴结构对气液分布影响较小，湍流的发展会引起后续射流水柱形状的变化；如图2(b)所示， Ⅱ和Ⅲ结构射流柱头产生凹面，液体出现分叉，主要是空气阻力和径向速度失去约束的共同作用产生的，而Ⅰ结构喷嘴前段为渐缩管结构，轴线速度较大，且对水柱径向速度的约束较强，从而避免了凹面的产生。

图2 气液相分布Fig.2 Gas-liquid distribution map

集束性用来描述喷嘴近流场喷射液柱成束性的好坏。如图2(c)所示，随着轴线速度不断增大，液柱外围速度不断减小，故液柱逐渐呈现中间突出形状。由于外部大气阻力和内部液体在高压气体的推动下发生湍流运动的共同作用，导致柱头发生膨胀回卷，Ⅱ、Ⅲ结构液柱膨胀快于Ⅰ结构，因此Ⅱ、Ⅲ结构速度衰减较快。Ⅱ、Ⅲ结构前端液体分布区域明显大于Ⅰ结构，Ⅱ、Ⅲ结构柱头的动能较为分散，而Ⅰ结构动能较为集中地聚集在“蘑菇头”，产生的水柱形状更有利于其在空气中流动。可以直观地看出集束性顺序为：Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ。

2.2 喷嘴结构对出口速度的影响

射流出口速度是衡量脉冲水枪性能的重要指标，不仅影响脉冲水枪的雾通量和喷射距离，更是能否高效灭火至关重要的条件，通过监测3个喷嘴出口的平均速度可以研究不同喷嘴结构对射流速度的影响。图3为喷嘴出口平均速度随时间的变化，如图3所示，3个喷嘴的出口速度曲线总体趋势是一致的，可分为3个阶段进行：加速阶段、速度稳定阶段和速度突增阶段。

图3 喷嘴出口平均速度随时间的变化Fig.3 The average velocity of the nozzle outlet as a function of time

表2为射流时间分布表，结合图3可知，在第1阶段内， Ⅲ结构经过4 ms速度达到最大，为57.2 m/s，Ⅱ结构经过7.2 ms达到58.8 m/s，而Ⅰ结构经过6 ms达到60.9 m/s。在相同模拟参数下，Ⅰ结构最大速度比Ⅱ结构大2.1 m/s，比Ⅲ结构大3.7 m/s。图4为水的动能随时间的变化，由图4可知，在喷射前6 ms内，3个喷嘴射流水柱的动能增长趋势基本相同，在6 ms之后射流水柱动能的增长速率为：Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ。可证明Ⅰ结构在喷射过程中对介质产生的阻力较小，压力能转化为动能的效率更高。

图4 水动能随时间的变化Fig.4 Curve of kinetic energy of water with time

第2阶段为稳流阶段，在稳流阶段Ⅰ和Ⅱ结构曲线基本一致，Ⅰ结构出口速度略大于Ⅱ结构。因此，此处仅分析Ⅰ与Ⅲ结构。由表2结合图3可知，Ⅰ结构在6～13.7 ms内，出口速度由60.9 m/s减小到53.78 m/s，而Ⅲ结构在4～17 ms内出口速度由57.2 m/s减小到45.8 m/s。观察数据发现在6～13.7 ms时间段内，Ⅰ结构的出口速度均大于Ⅲ结构5～6 m/s，且在气体即将贯穿喷嘴时，Ⅰ结构的出口速度为53.78 m/s，Ⅲ结构的出口速度为45.8 m/s，证明Ⅰ结构射流速度更稳定。

图5为水室中水的体积分数随时间的变化，由图5可知，当水柱贯穿喷嘴为1个喷射周期时，首次出现水的体积分数不再随时间变化1个喷射周期。由图3第3阶段可以看出，3个喷嘴速度均突然增大，这是由于水室的水贯穿喷嘴，高压气体通过喷嘴速度瞬间增大导致，表示1个射流周期完成，而此时对应图5水的体积分数不再随时间变化。后期水的体积分数出现台阶式的骤变是由于喷管内残留的水随高速气体喷出，此阶段不包括在射流周期内。因此，射流周期长短排序为：Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ。

表2 射流时间分布Table 2 Jet time distribution ms

图5 水室中水的体积分数随时间的变化Fig.5 The volume fraction of water in the water chamber with time

2.3 喷嘴结构对流场速度的影响

图6为不同时刻流场速度等值线分布，由图6可知，Ⅰ结构的喷射水柱的形状是呈锥式逐渐扩张的，而Ⅲ结构是喷射到一定距离突然开始膨胀。由图6(c)可知，Ⅰ结构流场的动能较为集中的分布在轴线附近，而Ⅱ，Ⅲ结构的动能分布较为分散，因此，Ⅰ结构水柱在雾化区域所受阻力较小，喷射距离会更远。

为了确定哪个结构的喷嘴射流水柱最先开始纵向扩散，研究0.2 m处截面速度分布。图7为14 ms时距出口0.2 m处沿Y轴截面的速度分布曲线，由图7可知，Ⅲ结构在14 ms时水柱前端半径达到0.055 m，而Ⅰ结构为0.02 m，Ⅱ结构为0.03 m，过早雾化导致Ⅲ结构的喷射距离减小，此现象是液柱的径向速度和空气阻力共同作用的结果。Ⅲ结构喷射液柱的速度方向较为分散，Ⅰ结构对液柱速度方向的约束较强。由此证明，Ⅰ结构集束性最好，Ⅲ结构集束性最差。图8为14 ms时轴线速度分布图，由图8也可验证Ⅰ结构的喷射距离最远。

图6 不同时刻流场速度等值线分布Fig.6 Flow field velocity contour map at different times

图7 14 ms时距出口0.2 m处截面速度分布曲线Fig.7 Sectional velocity distribution curve at 0.2 m from the exit at 14 ms

图8 14 ms时轴线速度分布Fig.8 Axis velocity distribution at 14 ms

4 结论

1)在相同参数条件下，维多辛斯基曲线结构在出口速度和轴线速度在稳定阶段均为最大，在水柱贯穿出口时液体具有的动能也最大，即维多辛斯基曲线结构的压力能转化为动能的效率更大，且射流周期最短。

2)维多辛斯基曲线结构和锥直结构的出口速度衰减较缓慢，因此，喷嘴前端的圆柱结构能有效提高射流速度的稳定性。

3)维多辛斯基曲线结构射流水柱是呈锥式逐渐扩散的，且动能较为集中的分布在轴线附近，有利于提高喷射距离，从而提高脉冲水枪的灭火效率。

4)与原始脉冲水枪结构相比，维多辛斯基曲线结构在喷射速度、喷射距离、雾化效果均有明显提高，能对火焰造成更强的冲击，并能迅速降温，从而达到灭火效果。综上所述，维多辛斯基曲线结构为最佳的喷嘴结构。