文/王红霞 廖振方 陈德淑

摘要:针对目前消防水枪中出现的问题，为提高水枪射流的喷射距离和灭火效果，对国产现用消防水枪提出了改进方案。改进后的水枪由整流器、自激振荡脉冲射流喷嘴和接头所组成。实验观测:射流以脉冲形式喷出，如同一连串的水弹.喷射距离也有一定程度的提高。

关键词:消防水枪;自激振荡脉冲射流;喷嘴

根据湍流理论以及自激振荡脉冲喷嘴理论，改进后的消防水枪的外形图如图1所示:

消防水枪通常采用帆布管连接，帆布管的粗糙度较大，而且常伴随有弯曲、收缩和扭曲。水流通过帆布管时，除了水流本身的自然紊流外还会产生附加涡流。因此，水流在帆布管内的流动是自然紊流和附加涡流叠加，附加涡流的存在，直接影响出口射流的品质(如射距和打击力)和灭火效果。为了消除有害的附加涡流，水流进人水枪后能稳定地流动，一般常用整流器来消除。

1整流器的工作原理

目前国内外使用的整流器大致有星型、机翼型、蜂巢型和井字型等。根据功能的不同，它的结构、尺寸和形状都有一定的要求，否则安在液流流场中的整流器可能本身就成为扰动源，不仅不能提高射流品质而且还大大有害。

目前使用的整流器的结构如图2所示。在这几种整流器中机翼型整流器对轴向涡流的消除效果**.但它的结构较复杂，在消防水枪中难以实现;星型整流器在消防水枪干管相对较短的情况下效果也不理想;井字型虽可减少长度，但消除轴向旋涡效果不如蜂巢型。本实验决定选用蜂巢型(管式)整流器进行实验研究。蜂巢型整流器的工作原理:当液体进人蜂巢型整流器后，液体被分割成几股平行液流，从各个小管流出，从而消除了轴向旋涡，整流器干管长度也较短(一般为200 mm～250 mm)。整流器前应有直线段长度(一般为干管直径的1. 5～2.0倍)。实验用水枪干管的直径为60 mm，直线段长度选为100 mm，水枪接口直径5 6mm，水枪接口应平滑过度到60 mm的干管直径处实验表明蜂巢型整流器中的管子内径为20 mm ～25mm时效果较好在干管内径为60 mm条件下。共安装4根管子(壁厚为1 mm )。整个整流器的长度为350mm

2喷嘴的收敛角

现有实验用水枪喷嘴的收敛角一般为9°。收敛效果不太理想，目前一般认为LEE'S喷嘴效果较好。它的收敛角为12. 5 °～13. 5 °。实验用喷嘴的收敛角选定为13°。

3自激振荡脉冲喷嘴

目前在消防水枪中所用的喷嘴是连续射流.显然将连续射流变成脉冲射流能大大地增强灭火效果目前产生脉冲水射流的方法有:脉冲水炮、机械阻断装置、利用管道系统和流体的弹性共振产生脉冲水射流以及电液压脉冲水射流等，这些方法结构复杂.操作困难不适用于消防水枪，因此采用了作者发明和研制成功的自激振荡脉冲射流喷嘴。自激振荡脉冲射流喷嘴结构简单、体积小、无外加驱动装置和活动部件

4自激振荡脉冲射流暗嘴的工作原理

自激振荡脉冲射流喷嘴的工作原理(见图3)

当一股稳定的射流或剪切流从喷嘴上游向喷嘴下游流动时，因为剪切层不稳定性对涡流扰动有选择的放大。在剪切层中形成一串离散涡环。当其到达碰撞壁并与之相互作用时在碰撞区产生压力振荡波，该波以声速向上游传播，又诱发新的涡量脉动。该过程不断往复就会形成强烈的自激振荡脉冲射流。实验发现这种射流具有较大的变压特性和很强的空化作用。应用该理论研制出的自激振荡脉冲射流喷嘴克服了现有消防喷嘴射程短、持续能量小等缺点。自激振荡靠流体本身在合适的流体结构中产生振荡，因此对于自激振荡脉冲喷嘴结构设计至关重要。在自由射流的条件下。测试了自激振荡脉冲射流喷嘴装置几何参数变化对自激振荡脉冲射流的影响，经过实验研究，得出了合理的振荡脉冲射流结构参数。影响自激振荡的主要结构参数为无量纲腔长L/D1，上下游喷嘴直径比D2/D1,。碰撞壁形状等。通过实验得出以下结论:

（1）腔长过短不能形成剪切层或剪切层的不稳性对该范围的扰动不敏感;腔长过大反馈的扰动不能有效激励分离新涡量脉动的产生。换言之，腔长大小是与剪切层不稳定的发展和扰动反馈密切相关，它是形成自激振荡的关键参数之一。当腔长由零逐渐增大时。射流由稳定转向脉动，当L/D1＜1.0时，脉动频率高，脉动幅值减小。当1.0＜L/D1＜2.4时，脉动幅值突然增大，且呈现一定的周期性，当L/D1继续增大。脉动幅值开始下降，当L/D1大于 5. 6时，脉动几乎消失，本设计中选用L/D1=2.0

(2)上、下喷嘴直径之比。由我们实验得知.当DD, ＜G1.0时，从出口喷射出的射流脉动幅值很低，分辨不出是自激振动还是射流的紊流产生的脉动显然不适合我们产生自激振荡脉冲射流的设计要求试验表明D2/D1一1.2比较合理。

（3）碰撞壁的形状对自激振荡脉冲射流的幅值和频率影响较大实验表明:锥形碰撞壁与涡旋相互作用产生的振荡压力系数**，平面形次之，椭球体形最差。因此，碰撞壁的形定为锥度为110°的截锥形碰撞壁。

(4)振荡腔室的直径。实验表明:当振荡腔室直径DT太小时剪切层要受壁面限制，旋涡不能得到自由发展，在向下游的发展过程中不能产生重要的涡旋配对现象。随着DT/D1比值增大射流强度增大，在DT/D1=8. 8时强度达到**，最后逐渐趋于平稳，实验中DT/D1=8. 0。

(5)必须强调指出:上、下喷嘴的同心度对于自激振荡脉冲射流喷嘴的工作非常重要，振荡腔室必须对称，在产生强烈自激振荡射流后，射流轴心压力脉动强烈，若不能保证其同心度，从下喷嘴射出的射流品质将受到强烈影响。

4实验结果及分析

实验是在重庆市某消防中队进行的。

消防泵的技术参数:流量:1 600 L /min压力:1MPa，实验现场见图40

圈4自激振荡消防水枪脉冲射流演示实验

消防喷嘴的出口直径: Φ 19 mm(改进前和改进后的喷嘴直径相同)

实验的测试是很粗糙的，采用目测和照像。通过试验发现以下现象:

(1)改进后的消防水枪喷射出的射流以脉冲形式喷出，它如同一连串的水弹，每个水弹具有明显团状形状(见图4)。

(2)射程较远。水枪在加装了自激振荡脉冲喷嘴时所做的实验可清楚看出其射程明显增加(从35 m提高为40 m左右)。显示了整流器与LEE'S喷嘴联合应用后，射流具有良好的收敛效果。

(3)脉冲射流水枪的后座力减小，操作人员感到轻松。