消防炮流体运动理论与实践

消防炮管内流体运动过程属于水动力学的范畴。水动力学主要研究理想流体运动、粘性液体运动和空泡流等，而这些在消防炮中均有不同程度的存在。雷诺数可以让我们准确表达流体的层紊流状态。当Re为雷诺数，d为管径，w为流速，ρ为流体密度，μ为流体粘度时，

一 消防炮在消防领域应用的现状
消防炮是全球消防领域普遍应用的消防装备，作为一种有效的喷射灭火剂为主要功能的消防装备。消防炮在灭火领域有着广泛应用。由于消防炮是一种定向性灭火设备，所以对消防炮的灵活机动性能有一定要求。水平回转、俯仰角度、直流喷雾的水流状态调整是消防炮的三个基本性能。

消防炮是将有压流通过炮管而实现射流灭火的一种消防器材装备，在消防救援、灭火和工程领域用途广泛且重要。消防炮将流体集中，借助消防泵或其他增压装置使流体具有动能，使灭火剂准确击中火灾区，实现灭火剂的灭火效果。消防炮通常由炮座部件、喷射部件和操作部件三部分组成。[2]

消防灭火救援中应将流量大、射程远的消防炮作为一种重要的灭火装备，由于它的这种性能对消防人员实施灭火救援具有保护意义，所以流量大、射程远的消防炮是消防产品中有巨大开发潜力的消防装备。
工业制造和消防救援部门常用性能曲线来描述消防炮在一定条件下表现出的性能(图1)：

二 弯曲的消防炮管对流体的影响
(1)消防炮管设计的原理和作用
为了使消防炮具有水平回转、俯仰的功能，常用消防炮的炮管制作成“S”或“U”形，在消防炮管内剧烈运动的流体作高雷诺数的湍流运动，流体微团运动的随机性引起了强烈的动量、热量和质量的输运。但湍流的传递速率比层流高几个数量级，这种剧烈的动量、热量和质量的输运，对消防炮要求远射程的性能具有重要意义。消防炮的弯管状促使炮管内流体在弯曲的管道内侧形成涡流，从而产生连续性的渐变流和急变流，使这种传输具有较强的动能。
同其他流体传输设备一样，消防炮内壁光滑度是影响消防炮射程、流量的重要因素，消防炮在流道内通常通过涂漆、打磨等工艺增强光滑度，使消防炮性能更优良。国外消防炮生产企业常采用电泳涂装工艺对消防炮管内部表面进行处理，电泳涂装工艺后的零部件具有高光洁度、漆膜不容易脱落、耐腐蚀等优点[3]，对消防炮管的流体运动具有很好的作用。电泳涂装是：将分散于水中的涂料、利用电化学原理、使涂料沉积于被涂物表面而达到涂装的目的。我国已经形成了较好的电泳涂装工艺水平和一些专业从事电泳涂装的生产企业，消防炮生产企业应将这一工艺作为消防炮加工的重要手段。
(2)整流器和助流片的作用
在消防炮管内流动的流体，存在着边界层的现象。安装整流器和助流片可以显著控制边界层的发展，使整个流道截面积涡流均匀分割，改善整体的均匀性能，有文献指出：流道内设置整流器和助流片的水炮炮座比未设置整流器和助流片的炮座其射程可增加6-10%。[4]
我国生产的消防炮，以以下两种整流器(图2)居多，国外有些消防炮生产企业产的消防炮在接近喷头的炮管中设置三棱形流道，使整流效果更加明显。[5]
三 消防炮喷头在消防炮中的应用
消防炮喷头(图3)是最终实现射流的部位，是流体输送过程中的关键部位。喷头直接决定了消防炮出水射流的作用：消防炮射程与水流在炮管内流动流体的流线始终保持平行有着重要的关系，始终保持平行流线和水流的匀速流动，可以显著增加消防炮的射程和消防炮在直流状态的射击效果。
消防车(泵) → 水带 → 消防炮(喷头) → 灭火区域

由消防水炮口射出的射流分为密集射流、开花射流和喷雾射流三种。[6]
四 消防炮的主要发展方向
消防炮正朝着无人操作、人性化和小型化方向发展，这些年涌现的远控消防炮灭火系统和水力摇摆炮都试图使人们从烦琐和危险的手动操作中解脱出来，实现遥控操作，以达到扑灭火灾和有效保护人员生命安全的目的。
中国科技大学火灾重点实验室研制的数控消防水炮改变了大空间建筑内设置消防灭火系统的问题；越来越多的石油化工企业、油品运输码头、油品存贮仓库在选用固定消防炮灭火系统；我国工程建设部门和消防科研机构在2003年颁布实施了《固定消防炮灭火系统设计规范》；消防炮在消防车上的功能也越来越完善。无论是灭火救援和工程建设，消防炮都正在显示出更加重要的作用。