汪震，林杰，汪睿
(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；
2.泰豪科技股份有限公司，南昌 330096；
3.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)
目前公务船使用的常规执法水炮本质上仍是消防水炮，射出的水柱容易受到风向的影响，易发散，导致水炮有效射程短和水柱末端打击力不足，不能对远距高危险目标进行有效打击。为了提高水炮打击力，必须提高水炮的流量和射程，即提高水泵流量和扬程。然而，受水泵技术水平、管路，以及附件的耐压等级和船舶总体资源等因素限制，这种方法提升水炮杀伤力有限。根据海警船等公务船的维权执法需求，针对常规水炮有效射程短和打击力不足的缺点，提出改进型执法水炮，增加冰球打击功能，即向水炮管路中加入冰球。为了实现水柱和冰球的兼容发射，考虑在常规执法水炮的基础上进行流道结构改进设计，重点改进整流器结构和冰球输送管路插入位置，并利用FLUENT软件对改进后的水炮内部复杂流场进行仿真分析，验证改进设计方案的可行性。
1.1 常规执法水炮
常规水炮流道结构如图1所示，水泵输送高压水进入水炮主管路中，途径转向弯管后从锥形炮管喷出，形成高压水柱，驱动电机可驱动水炮进行俯仰和水平旋转运动。炮管内部设置了格栅型整流器，用于改善炮管内部的流场均匀性，降低水的紊流程度。在相同的流量和出口速度下，炮管内部流场越均匀，水流动方向越一致，水炮喷射出的水柱越集中，成束性越好、越不容易发散，水炮的射程越远，水柱末端打击力越强。因此，在水炮内部设置整流器，用于改善水炮内部流动均匀性。
图1 常规水炮流道结构示意
1.2 改进型执法水炮
由于整流器的存在阻挡了冰球通过，因此需要合理设计冰球输送管插入的位置和整流器结构。提出两种改进型执法水炮流道结构设计方案，见图2。
图2 改进型执法水炮流道结构设计方案示意
方案A，冰球输送管插入点设置在整流器后端，冰球输送管外部轴线与炮管轴线夹角为45°,内部管路与炮管同轴，冰球通过冰球输送管进入炮管内，和高压水一起喷射出去。
方案B，中冰球插入点设置在水炮主管路，冰球输送管外部轴线与水炮主管路轴线夹角为45°，内部管路与水炮主管路同轴；
取消格栅形整流器，设置弹尾形整流器和冰球捕捉器。冰球捕捉器主要由中心管、8根刀型整流片和固定法兰组成，刀型整流片按周向均匀固定在中心管和法兰之间，整体安装在炮管内部；
弹尾形整流器由中心导向管和4根矩形整流片组成，4根矩形整流片按周向均匀固定在中心导向管上，并与冰球捕捉器的刀型整流片对齐，中心导向管与冰球捕捉器的中心管前端的嵌套连接。冰球捕捉器具有整流和捕捉冰球的双重作用，冰球被冰球捕捉器导入弹尾形整流器的中心导向管内，高压水流主要从中心导向管外部空间通过，并推动冰球向前运动，最后冰球与高压水一起从锥形炮口喷出。
2.1 控制方程
水炮流道的流场计算包括对3个控制方程进行求解：连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。由于水炮内部流速较快、在炮体内停留时间短，所以将水炮内部流动视为绝热流动，不考虑水与外部环境的能量交换。由于水炮内部流体介质只有一种(水)，所以不考虑物料平衡方程，根据质量守恒定律，总结出连续性方程如下。
(1)
式中:为流体介质的密度，为流体介质的三维速度矢量，()是质量源项。由于进行的是稳态流体分析，且流体介质在水炮流道内部的流动没有质量源项，所以连续性方程可简化为
(2)
水炮内部流体介质的动量方程为
(3)
式中:、(1,2,3)指不同的坐标方向，表示方向上的速度分量；
为流体介质的运动粘度，右边第二项为表面力(切应力);为方向上的体积力(重力)分量。
由于水炮内部流体受重力影响较小，可忽略重力作用，同时忽略非稳态项，于是将式(3)简化为
(4)
根据能量守恒定律，得到阀门内部流体的能量方程。
(5)
式中：等号左端第一项为单位质量流体的储能变化率；
右端各项依次为质量力(重力)所做功、表面力所做功、传导热和热源项。
由于阀门内无热源项，同时忽略重力和非稳态项，于是将式(5)简化为
(6)
联立式(2)、(4)和(6)，对水炮流道内部流场进行分析求解。
以某公务船搭载的常规执法水炮为例，水炮流量为160 m/h，水炮主管路通径为DN100，锥形炮管出口通径为DN40，初步核算水炮内部平均流速为5.66～35.37 m/s。计算水炮主管路内流体的雷诺数=560 396，说明水炮流道内的流动状态为湍流，利用CFD软件进行模拟计算时需选用合适的湍流模型。
2.2 湍流模型
FLUENT软件提供的湍流模型包括零方程模型、标准-模型、RNG-模型、标准-模型及雷诺应力模型和大涡模拟模型。水炮流道流场分析中使用的是标准-模型。
为了对湍流流体进行分析，引入雷诺平均法，将流体变量分解为平均值和脉动值，以流体速度为例，如下所示。
(7)
标准-模型是最简单的完成两方程湍流模型，也是目前应用最广泛的湍流模型，需要求解湍流动能和湍流耗散率的方程，即
+--+
(8)
(9)
(10)
式中：为由于平均速度梯度引起的湍动能的产生项;为由于浮力引起的湍动能的产生项；
为可压缩湍流中脉动膨胀的贡献；
为湍流粘性系数;1、2、3和为经验常数，和分别为与湍动能和耗散率对应的普朗特数，和为自定义源项。根据工程经验，经验常数和普朗特数的取值为：1=144，2=192，=009，=10，=13。对于不可压缩流体，3=0，=0，=0。
2.3 网格模型
利用ANSYS Workbench对两种改进型执法水炮流道(流体域)进行实体建模，见图3。
图3 水炮流道网格模型
2.4 计算域与边界条件设置
计算域中的流体介质为水，视为不可压缩流体，物性参数来自FLUENT自带的物性数据库，定常、定压，环境温度为室温。使用标准-模型，湍流普朗特数设置为0.9，不考虑热辐射。
流体域边界除入口和出口外均设置为光滑壁面，满足壁面无滑移条件，与外界无热交换(绝热)。
设定边界条件。水炮管路入口：Inlet，流量160 m/h，静压0.8 MPa(表压)；
冰球输送管路入口：Inlet，流量20 m/h，静压1.1 MPa(表压)；
水炮出口：Outlet，背压为大气压。
改进型执法水炮具有两种打击模式：水柱打击和冰球打击，即水炮内部流体不含冰球和含冰球的两种情况。
3.1 水柱打击模式
3.1.1 压力分布
水炮内部压力分布情况见图4。压力最大值均位于水炮主管路中，压力最低点位于炮管出口附壁处。结果表明，由于冰球输送管路的存在，方案A中炮管截面的压力分布均匀性较差，易造成流体扰动。
图4 锥形炮管中平面压力分布
3.1.2 水炮内部速度分布情况
最高速度均位于炮口处，且峰值速度差不多(方案A：41.6 m/s，方案B：41.5 m/s)，但方案B中的流线速度方向更一致、速度分布更均匀。方案A的流动损失较小，但由于冰球输送管路的插入增加了流场的不均匀性，水炮射出口更容易发散，降低有效射程。见图5。
图5 锥形炮管中平面速度分布
3.1.3 湍动能分布
湍动能在一定意义上表征了流体湍流的混乱程度，湍动能越大，流体能量耗散越大。水炮内部湍动能分布情况见图6，两种方案中锥形炮管内湍动能峰值均位于入口处，但是方案B中锥形炮管出口处湍动能数值更低且分布更均匀，这说明方案B出口流体能量更集中，炮管出口水柱成束性更好。
图6 锥形炮管截面湍动能分布
3.2 冰球打击模式
在水炮内部区域创建冰球区域，冰球直径为DN36，冰球外表面设置为WALL属性，仿真计算结果分析如下。
3.2.1 压力分布
水炮内部压力分布情况见图7。压力最低点位于炮管出口附壁处，压力最高点出现位置不同，方案A中压力最高点位于炮管入口处，方案B中压力最高点位于弹尾形整流器的中心流道中。对比锥形炮管内的整体压力分布情况，方案B中压力分布更均匀，流体受到的扰动较小。
图7 锥形炮管内部压力分布(含冰球)
3.2.2 速度分布
水炮内部流线和速度分布情况见图8。
图8 锥形炮管截面速度分布(含冰球)
最高速度均位于炮口处，方案A的峰值速度
较高(方案A：42.0 m/s，方案B：41.2 m/s)，说明方案A流道结构产生的水头损失较低，但方案B中的流线速度方向更一致、速度分布更均匀。由于冰球的存在，增加了炮管内部流体的扰动，但方案B中冰球被限制在弹尾形整流器的中心流道中，对中心管外部的流体影响较小，流体流动方向一致性更强，冰球射出炮口后不易偏移轨迹。弹尾形整流器的中心流道中，冰球后部的流体速度较低，进而转化为冰球的动能。
3.2.3 冰球受力情况
按照设计预想，冰球和高压水一起从炮口喷出，冰球运动的动力主要来源于高压水的推力。水炮受力情况见图9。可以看出，方案B中冰球表面压力分布更均匀，且受力方向更集中于轴线方向，其合力值也较大(146.73 N>20.04 N)。这表明，方案B中的冰球获得的推力更大，冰球的射程也更远、运动方向更集中。
图9 冰球表面压力分布
3.3 方案对比
对比两种水炮流道结构设计方案在两种打击模式下的流场仿真分析结果，可以推断出：两种方案的水流峰值速度相差不大，但非对称性的流道结构也导致了速度和压力分布的不均匀性，湍流程度更高，进而导致水炮发射的高压水柱成束性较差、易发散，影响水炮的有效射程和末端水柱打击力。加入冰球后，进一步加剧了方案A流道中流场的不均匀性，而方案B得益于特殊的整流器结构，流场均匀性受影响较小，且冰球受力更大、受力方向更集中于轴线方向，冰球射出炮口后方向不易偏离轴线，飞行距离更远。综上所述，方案B表现出的水炮性能优于方案A。
1)相较于常规执法水炮，改进型执法水炮可增加冰球打击功能，提升水炮打击力。
2)两种流道结构设计方案均可实现发射冰球功能，二者的内部流体峰值流速相近，但方案B在两种打击模式下的水炮内部流场均匀性更好，水柱成束性更好。
3)冰球打击模式下，方案B中的冰球整体受力更大、受力方向更集中于轴线方向，进而表现出更好的水炮性能。
4)选择方案B作为改进型执法水炮流道结构的最终设计方案。