消防炮射流轨迹的研究

论文摘要

随着社会经济的不断发展,大空间建筑的不断涌现,以及各种超大规格的油码头和石油储罐区等大型消防场所的不断出现,对于消防炮的研究提出了新的要求。目前国内外对于消防炮射流轨迹的研究还停留在试验研究上,缺乏系统的理论研究。本论文主要研究消防炮的射流轨迹。从理想状态下和实体消防炮两个方面着手,对射流进行理论分析,并借助Simulink软件建立射流轨迹的仿真模型,然后利用试验数据校核仿真模型,最后借助模型分析解决一些射流性能方面的问题。（1）从破碎理论出发,研究消防水炮射流的结构和稳定性问题。首先分析射流的破碎方式,以及相关概念和破碎理论,然后分别用K-H（Kelvin-Helmholtz）不稳定理论以及R-T（Rayleigh-Taylor）不稳定性理论来描述消防炮射流破碎过程。由于破碎存在的原因,消防炮射流与诸如炮弹等固体的飞行有本质的区别,不能用质点运动轨迹方法对其进行研究。（2）消防炮射流的影响因素可分为三类:输入能量,内部结构参数,和外界因素。先讨论理想状态下消防炮射流轨迹（即只受输入能量的影响在静止的大气中运动的射流）问题。对射流进行受力分析,得到消防炮射流运动的微分方程,进而研究射流初始条件和空气阻力问题。由于建立完毕的射流运动微分方程很难直接求解,因此借助Matlab软件中的Simulink仿真环境对理想状态下消防炮射流轨迹进行仿真建模。（3）把消防炮内部结构参数加入到考察对象中,即研究实体消防炮射流轨迹问题。先分析实体消防炮射流的影响因素定义和产生原因,然后对于消防炮结构进行分析和优化试验,确定最优化的消防炮结构,并利用Fluent流体计算软件对优化后的消防炮进行内部流场分析,求得轴向速度矢量效率。接着把轴向速度矢量效率带入理想状态下射流轨迹仿真模型的运动模块中,并运用多元线性回归模型分析确定射流截面积公式,建立射流截面积仿真模块,完成实体消防炮射流轨迹仿真模型。最后借助射流试验数据对模型进行校核,确定其正确性。（4）利用建立完毕的实体消防炮射流轨迹仿真模型研究与消防炮射流性能有关的问题。首先把三个主要工况参数（压力、流量和仰角）中一个参数为变量,另两个参数为定值,考察此工况参数变化时,消防炮水平射程的变化情况,从而确定其对于消防炮射流轨迹的影响。然后研究外界因素（风力）对消防炮射流的影响,通过理论分析和修订实体消防炮射流轨迹仿真模型,考察其对于射流轨迹的影响。最后引入“有效灭火半径”这一概念。从定义和现实意义的角度,分析提出“有效灭火半径”的合理性和必要性,并提出它的研究方法的初步设想。这些提出为以后的进一步研究提出了方向和依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 介绍
• 1.2.1 消防炮
• 1.2.2 消防炮射流
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 消防炮的发展现状
• 1.3.2 压力水射流技术的发展和应用现状
• 1.3.3 射流破碎问题的研究现状
• 1.3.4 消防炮性能以及射流技术的研究现状
• 1.4 论文的主要内容以及成果
• 第二章 消防炮射流的结构和稳定性分析
• 2.1 消防炮射流的结构
• 2.2 射流破碎的研究
• 2.2.1 射流破碎的三个阶段
• 2.2.2 射流破碎过程的特征量
• 2.2.3 射流破碎理论
• 2.3 消防炮射流的稳定性分析
• 2.3.1 初始破碎
• 2.3.2 二次破碎
• 2.4 小结
• 第三章 理想状态下射流轨迹的分析
• 3.1 消防炮射流影响因素分析
• 3.2 理想状态下射流的理论分析
• 3.2.1 初始条件的确定
• 3.2.2 空气阻力的确定
• 3.3 射流轨迹仿真模型的建立
• 3.3.1 运动模块的建立
• 3.3.2 初始条件模块的建立
• 3.3.3 空气阻力模块
• 3.3.4 消防炮射流轨迹仿真程序的实现
• 3.3.5 仿真模型结果示例
• 3.4 小结
• 第四章 实体消防炮的射流轨迹分析
• 4.1 影响因素的定义
• 4.1.1 射流散射角
• 4.1.2 速度梯度
• 4.1.3 轴向速度矢量比
• 4.2 消防炮结构优化和影响分析
• 4.2.1 试验研究
• 4.2.2 消防炮流道的流场分析
• 4.3 实体消防炮射流轨迹仿真模型
• 4.3.1 运动模块的变更
• 4.3.2 射流截面积函数的确定
• 4.3.3 实体消防炮射流轨迹仿真模型的完善
• 4.4 仿真模型的试验校核
• 4.4.1 试验系统说明
• 4.4.2 试验结果
• 4.4.3 仿真模型验证
• 4.5 小结
• 第五章 仿真模型应用研究
• 5.1 不同仰角的水平射程变化规律
• 5.2 不同压力或不用流量的水平射程变化规律
• 5.3 风的影响因素
• 5.4 有效灭火半径的提出
• 第六章 结论
• 6.1 本文结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 附录A 截面积系数a 确定方法
• 附录B 试验方案及数据处理方法
• 致谢
• 攻读工程硕士学位期间发表的论文