大射程水炮设计及研究

论文摘要

本文的研究对象是远射程水射流装置,目的是通过有限元仿真,设计出能在性能上超越目前普通水炮水平的射流装置。远程射流在现代社会中有很大的应用前景,主要可用于高层、超高层建筑的消防,反恐,甚至能通过改变空气密度而达到反导的目的。首先,从射流出口的流动参数入手,通过选择合适的射流初始状态参数,达到理想的射流效果和射程,并以此选择合适喷嘴。文中应用流体有限元仿真软件Fluent对不同射流初始状态进行VOF(volume of fluid,流体体积函数,在流场中的每个网格,这个函数定义为目标流体的体积与网格体积的比值。只要知道这个函数在每个网格上的值,就可以实现对运动界面的追踪。)两相流模拟,以此作为射流效果评判的依据。发现射流初始速度为20m/s,口径为150mm的组合有很好射流效果。其次,利用仿真所得的射流初始条件,进行喷嘴的设计。所设计的喷嘴属于圆锥形喷嘴,收缩角14°,口径与炮管直径之比为1：2。通过Fluent进行喷嘴内三维流场的仿真,可以看到在此喷嘴尺寸下,内部流场平稳,有利于射流性能的提高。再次,进行射流水炮的整体结构设计,建立三维实体模型。射流装置采用蜗轮蜗杆传动,炮身材料为304不锈钢。然后,在建立的三维模型上进行流场管内仿真,查看管内流场的流动状况,确保流场没有太大能量损失,并利用理论计算出进出口的动压、静压、流速等,与有限元所得的结果进行比较,发现两者所得结果相差不大。最后,计算出射流带来的后坐力,使用/ANSYS进行结构静力分析,结果表明设计的射流装置具有足够的强度。其中,本文使用现有产品出口参数,对目前市场上产品进行仿真,以仿真结果和实际效果作对比,两种结果基本吻合。说明分析方法是具有可信性的,其中所选的各种模型是可行的,从而证明了研究设计的结果的可信度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 射流发展及射流装置的发展现状
• 1.2.1 国内外射流发展现状
• 1.2.2 射流装置发展及应用现状
• 1.3 本课题主要研究内容
• 2 计算流体动力学基本理论
• 2.1 计算流体动力学基本方法
• 2.1.1 计算流体力学的基本思想
• 2.1.2 CFD与计算机技术的关系
• 2.2 流体基本性质和流体流动的分类
• 2.2.1 流体的基本物理性质
• 2.2.2 流场的分类
• 2.2.3 本文流体性质及流动状态
• 2.3 流体力学基本方程
• 2.3.1 流体流动的控制方程组
• 2.3.2 控制方程的通用形式
• 2.4 湍流控制方程
• 2.4.1 湍流数值直接模拟方法
• 2.4.2 湍流数值非直接模拟方法
• 2.5 Reynolds平均法的几种模型
• 2.5.1 Reynolds应力方程模型
• 2.5.2 涡粘模型
• 2.5.3 壁面处理
• 2.6 多相流模型
• 2.7 射流理论
• 2.8 本章小结
• 3 水炮射流流场模拟及喷嘴设计
• 3.1 外部多相流流场模拟
• 3.1.1 建立计算区域
• 3.1.2 选择合适的计算模型
• 3.2 Fluent仿真结果与现有产品实际效果比较
• 3.2.1 现有远程水炮参数
• 3.2.2 100mm口径喷口仿真结果与实际产品参数比较
• 3.3 对不同尺寸喷嘴口径进行不同流速的流体模拟
• 3.3.1 100mm口径射流模拟
• 3.3.2 150mm口径射流模拟
• 3.3.3 200mm口径射流模拟
• 3.3.4 同口径不同流速射流的轴线速度比较
• 3.3.5 射程100m以上射流轴线速度比较
• 3.4 喷嘴的设计
• 3.4.1 确定喷嘴的基本参数
• 3.4.2 喷嘴内部流体流动模拟
• 3.5 喷嘴内部流场三维模拟
• 3.5.1 确定喷嘴进出口流速
• 3.5.2 建立喷嘴三维模型和计算模型参数的确定
• 3.6 本章小结
• 4 水炮整体结构设计及管内三维流场模拟
• 4.1 水炮整体结构设计
• 4.1.1 水炮设计性能参数的确定
• 4.1.2 水炮结构设计
• 4.2 管内三维流动模拟
• 4.2.1 建立流体三维模型
• 4.2.2 设置合适的边界条件和计算模型
• 4.2.3 弯道流线的考察
• 4.3 管内三维流场模拟流动参数验证
• 4.3.1 流动参数的提取
• 4.3.2 验证静压、动压和摩阻损失的计算
• 4.4 供能系统计算
• 4.5 射流反冲力计算
• 4.5.1 后坐力计算
• 4.5.2 后坐力对炮身和支座的影响分析
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献