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固定式消防水炮结构参数优化及其水力学性能研究

作　者: 陈伟刚
导　师: 胡国良
学　校: 华东交通大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 固定式消防水炮结构优化水力学性能仿真分析相似性分析
分类号: TU998.13
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着国民经济和城镇建设的飞速发展,火灾事故日益增多,且呈现出多样化,火灾扑救工作危险性高、难度也越来越大;为达到高效、快捷的灭火效果,保护人民生命财产安全以及消防救援人员不受伤害;威力大,高流量的消防水炮成为消防工作不可缺少的重要组成部分,其在消防灭火领域的作用越来越大;其性能的好坏,直接影响消防工作的质量。针对目前国内消防水炮的设计、生产及应用方面的问题,有必要对消防水炮的水力学性能进行研究,并优化其结构参数。根据现有的消防水炮理论、实验数据及试验经验,设计PS100型固定式消防水炮,优化消防水炮整体的机械结构,并校验关键部件。理论计算PS100型消防水炮的各参数,通过CFD流体仿真软件Fluent对其流道及出口射流进行仿真分析,验证其合理性。分别对各种不同的流道结构进行建模、仿真,通过对压力场、速度场的可视化,分析各流道对水力学性能的影响,得出流道结构对水力学性能影响规律。从而得出水力学性能良好的流道,优化消防水炮的流道结构。分析直流及喷雾的转换,分析喷嘴结构及出口边界层对水炮射流影响规律,得出判别射流质量的准则。在满足射流要求的前提下,尽量使消防水炮结构紧凑、美观、流线型强。建立数学模型,进一步优化所设计的PS100型固定式消防水炮。根据相似性原理,对各种符合相似性的消防水炮的结构参数进行相似性分析。对固定式消防水炮进行喷水试验,在试验验证的基础上得出一套固定式消防水炮结构参数设计方法。通过Fluent仿真分析,实现了消防水炮水力学性能的优化,相似性的应用可以推广到不同系列消防水炮及相关水力机械的优化设计中;可以减少设计成本,提高设计效率;为以后消防水炮的设计制造提供了相关理论依据。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
主要符号说明  9-11
第一章绪论  11-20
  1.1 消防水炮发展概况及工作原理  11-16
    1.1.1 消防水炮的国内外发展概况  11-15
    1.1.2 固定式消防水炮的工作原理  15-16
  1.2 消防水炮水力学性能研究现状  16-17
  1.3 课题研究背景、意义  17-18
  1.4 课题主要研究内容  18
  1.5 研究方法、技术路线及存在的关键问题  18-19
    1.5.1 研究方法  18
    1.5.2 技术路线  18-19
    1.5.3 存在的主要问题和技术关键  19
  1.6 本章小结  19-20
第二章 PS100 型固定式消防水炮结构设计及理论计算分析  20-33
  2.1 主要设计要求及性能指标  20
  2.2 总体结构设计方案的确定  20-23
  2.3 压力水管的强度校核  23-24
  2.4 蜗轮蜗杆的设计计算  24-25
  2.5 喷嘴结构设计  25-29
  2.6 水流速度的理论计算  29-31
  2.7 流体数学模型初步建立  31-32
  2.8 本章小结  32-33
第三章固定式消防水炮流场仿真分析  33-53
  3.1 仿真软件简介  33-34
  3.2 PS100 型固定式消防水炮流道结构建模仿真  34-41
  3.3 对不同结构的流道进行建模  41-42
  3.4 对不同形式流道进行网格划分  42-44
    3.4.1 设定边界层的网格划分  42-43
    3.4.2 设定边界条件  43-44
  3.5 不同流道结构对水力学性能的影响分析  44-46
    3.5.1 压力场改变的分析  44-46
    3.5.2 速度场改变的分析  46
  3.6 不同流道出口处水流速度的稳定性及集中性对比  46-48
  3.7 炮头结构建模  48-49
  3.8 炮头射流及喷雾的仿真分析  49-52
    3.8.1 喷雾射流仿真分析  49-51
    3.8.2 直流射流仿真分析  51-52
  3.9 本章小结  52-53
第四章固定式消防水炮优化设计  53-63
  4.1 流道结构优化  53-55
    4.1.1 根据压力损失优化流道结构  53-55
    4.1.2 根据速度扰动优化流道结构  55
  4.2 炮头结构优化  55-59
    4.2.1 喷雾射流结构的优化  55-57
    4.2.2 直流射流结构的优化  57-59
  4.3 炮身整体的结构优化  59-61
  4.4 射流质量的判别准则  61-62
  4.5 本章小结  62-63
第五章相似性分析  63-72
  5.1 相似性原理介绍  63
  5.2 相似性数学模型建立  63-67
    5.2.1 流体的连续性方程  63-64
    5.2.2 圆管紊流及有压管流  64-65
    5.2.3 相似性数学模型  65-67
  5.3 相似性验证  67-69
  5.4 试验验证  69-71
  5.5 固定式消防水炮结构参数设计方法  71
  5.6 本章小结  71-72
第六章总结  72-74
  6.1 工作总结  72-73
  6.2 本课题今后需进一步研究的地方  73-74
参考文献  74-78
附录A 主要零件的三维实体图片  78-79
附录B PS100 型固定式消防水炮的爆炸图  79-80
个人简历在读期间发表的学术论文  80-81
致谢  81

固定式消防水炮结构参数优化及其水力学性能研究

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