设计和实验验证，给出了提高消防炮射水充实段长度的喷嘴结构。
关键词：消防水炮;喷嘴结构;射水充实段
一、概况
消防炮在消防灭火领域中是十分重要的装备，因其较低的成本及高效环保的灭火效能而得以广泛运用。消防炮种类较多，按喷射介质分类可分为消防水炮、泡沫炮、干粉炮，按控制方式可分为手动、电控、液控消防炮。在现行消防炮国家标准中消防炮的主要性能指标为流量、射程、额定工作压力等，对其射水集中度（即本文所述射水充实段）未作要求，如果采用自动跟踪定位射流灭火系统进行工作时，提高消防水炮的射水充实段长度就显得非常重要了，一是可增加射程，二是可实现较准确的射流定位，实现早发现早扑灭初期、局部火灾。本文以电控消防水炮为例，研究其喷嘴内部结构对射流水柱充实段长度的影响，通过优化设计及实验验证获得较好的喷嘴射流结构，提高射水充实段长度。
二、优化喷嘴前的射流状况
本文以PSKD30电控消防水炮的充实水柱型喷嘴为例进行分析，其主要参数为额定工作压力1.0MPa，流量30L/s，射程55米（优化喷嘴前），炮与地面倾角35°。经测试，距炮喷嘴2米处射流水柱开始明显扩散，距喷嘴15米处其水柱横截面直径已达1.1m，在其最大有效射程55米处落水点已散布为横向约4.5m，纵向约8m的一个较大范围的椭圆，显然对自动跟踪定位射流灭火需要准确的落水点来说是非常不理想的。
在高层民用建筑设计防火规范中，对消防水枪的射水充实段提出了要求，不应小于13米，如下图1所示，但在消防炮相关规范中对射水充实段长度未作明确要求。
三、充实水柱型喷嘴的非淹没射流结构分析
（一）射流过程及结构
非淹没射流是指喷嘴水射流直接射入空气中，图2所示为非淹没射流结构，
射流流体从喷口射出时流速为u0，均匀分布，当流体离开喷口后，在引力、空气阻力以及扰动的作用下，与周围流体之间出现不连续间断面，且不稳定，产生强烈的紊动。流体质点的横向脉动把相邻的静止空气流体卷吸到射流中来，在动量交换过程中速度减缓下来，使速度仍保持为u0 的射流核心区沿程逐渐缩小，以至流经一定距离后即行消失。在外边界与核心区域之间，射流截面上的速度由零增大到u0。
在射流表面动量传递到空气中，水滴的速度下降，减慢的水滴开始与射流主体脱离，根据能量守恒定律，另一个引起射流进一步分化的因素：大气压力 ;射流中压力 ，可见射流中的压力低于大气压力，在这个压力差作用下空气会更多的进入到射流中，射流的瓦解就进一步扩大，这个过程是逐漸的无法抗拒的自然过程。
（二）射流稳定性分析
射流密实段与其射流稳定性有关，稳定的射流其密实段就长，因而其射程也较远，射流的稳定性（破裂长度）用以下公式来表述。
四、喷嘴结构设计参数分析
（一）影响射流稳定性的主要几何参数
在额定工作压力及流量一定的情况下，炮喷嘴的结构参数决定了射流的稳定性。影响射流稳定性的主要几何参数：
（1）收缩角 θ; （2）纵横比 ;收缩比 ;（3）喷嘴内流道流线型计;（4）喷嘴内壁的粗糙度;（5）整流装置的设置。
这些因素中，当炮的工作压力及流量按标准确定后，D及d就基本确定了;能优化的参数就只有θ、L及整流装置的结构参数。粗糙度靠加工来保证。
经试验测试，本喷嘴内采用如图3整流装置，将流道横断面分隔成多个小部分，使水流径向的能量尽快消失，减少湍流对射流稳定性的影响。
本文所述喷嘴内采用图3所示整流装置结构，整流芯将流道横断面分隔成多个小部分，使水流径向的能量尽快消失，减少湍流对射流稳定性的影响。
仅就炮头而言，影响其射程及射流稳定性的因素为θ，L及L1，这三个因素对射流稳定性及射程有不同程度的影响，而且其影响是交互性的。因此，必须经理论分析后通过实验来找到这三个参数的最优组合。
（二）喷嘴几何结构
（三）炮头内部水流的仿真分析
通过选择不同的θ，L及L1组合，通过仿真分析获得不同的结构参数下水流状态，当θ=13-15°且L=2-4d、L1≥150mm时可获得较佳的炮口射流参数，较好地节省试验次数和成本。
五、试验验证方案及结果
从上表实验结果得出，射流稳定，射水效果好的三因素分别为（2，1，2），即L=12mm，θ=13°，L1=155mm。PSKD30炮改进后获得了较好水柱充实段长度，见下图4所示。压力为0.8MPa时即可达到68m射程。与优化前对比，射水呈明显的充实性水柱，与仿真分析结果吻合。