水炮:組成部分,供水系統,執行系統,控制系統,用途,防暴,消防,影響因素分析,

水炮可在火災現場進行連續大流量遠射程作業，在實戰中發揮著不替代的作用。隨著科技的進步，工業設備趨向大型化、巨型化，尤其是在化工區、碼頭等特殊場所的火災現場，消防水炮已成為少數可以有效實施滅火作業的裝備之一。

基本介紹

中文名：水炮
外文名：water cannon
套用：消防

組成部分,供水系統,執行系統,控制系統,用途,防暴,消防,影響因素分析,

組成部分

供水系統

主要由水源、消防水泵、高位水箱或氣壓穩壓裝置、水泵接合器和管路組成，其目的在於能給裝置提供快速的、充足的水源。

執行系統

由滅火裝置、電源裝置、火災自動報警裝置等中間執行裝置組成，即當發生火情時，執行滅火及報警動作的相關組件。

控制系統

由聯動控制櫃及區域控制箱、系統電源控制器、計算機火災（視頻）監控系統組成。其目的在於對供水系統和執行系統進行控制，可靈活的實現手動、自動以及現場、消防中心的各種操作。有效完成從發現火災直至撲滅火災等一系列動作。並能使自動跟蹤定位射流滅火系統通過輸入模組和輸入輸出模組直接與火災自動報警中心連線，保證火災報警系統的整體性。

用途

防暴

一、現代警用脈衝防暴水炮。從上世紀90年代以來，，各國安全部隊打擊恐怖主義活動，制止暴亂，維護和平，保證國家安全和社會穩定的任務越來越艱巨，在任務的催使下，非致命武器得到了飛速的發展。現代警用脈衝防暴水炮是作為處置群體性騷亂事件的大型非致命武器裝備，在實戰中發揮了重要作用。

二、車載式防暴水炮利用壓縮空氣為動力，在極短的時間內由排氣閥排出，推動身管中的刺激劑液體以較高的速度噴出，空氣與液體分子摩擦碰撞產生粒度大約為2～200微米的霧化顆粒，從空中落到地面約用時3～5秒，在目標區域會形成一個刺激劑霧團。

消防

一、自動跟蹤定位射流滅火水炮。當前，針對大空間早期滅火的自動跟蹤定位射流滅火水炮成為業界關心的熱點，自動跟蹤定位射流滅火水炮技術發展迅速。隨著社會的進步，經濟、技術和材料快速發展，建築物淨空高度越來越高、建築跨度越來越大，為了適應不斷長高、長寬的大空間滅火需要，自動跟蹤定位射流滅火水炮獲得長足的發展。

自動消防水炮是一種以水作介質，遠距離撲滅火災的滅火設備。這種設備的炮適用於石油化工企業、儲罐區、飛機庫、倉庫、港口碼頭等場所，更是消防車理想的車載自動消防水炮。

自動消防水炮的工作原理是通過前端探測系統採集現場紅外圖像，中央控制器採用圖像處理的手段對發生在控制區域內的火災進行偵測和定位，這樣的設計便於自動消防水炮打開相應的聯動設備並控制水炮進入噴水滅火操作。自動消防水炮的炮由底座、進水管、迴轉體、集水管、射流調節環、手把和鎖緊機構等組成，炮身可作水平迴轉和仰俯迴轉，並可實現定位。

自動消防水炮的使用壓力範圍廣，射程遠並可實施直流至90°開花、水霧射流的無極調節。其重量輕、體積小、功能全、滅火效果好，是該炮的最大特點。

自動消防水炮的炮應在使用壓力範圍內使用。應經常檢查炮的完好性和操作靈活性，發現緊固件鬆動，應及時修理，使炮一直處於良好的使用狀態。射水操作時，鬆開鎖緊螺釘，調整好炮的噴射方向和角度，然後提高至所使用的壓力。轉動射流調節環即可實現水的支流變換為開花，或將開花變換為直流。每次使用後，應噴射一段時間的清水，然後將炮內水放淨。

二、消防水炮是消防作戰中常用的主要裝備之一，可用於滅火、冷卻、隔熱和排煙等消防作業。當前消防作戰中使用的常規水炮體積大、后座力大、不便於移動，導致對火災的反應能力較差。消防水炮還包括攜帶型可摺疊移動消防水炮、自動掃描射水高空水炮、固體消防水炮。

三、遙控消防水炮是一種帶有機械驅動機構，允許消防人員通過電子儀器進行遠距離遙控的消防設備。它能夠根據消防需要對消防水噴射的方向進行調整，也可以改變消防水噴射的樣式。作為一種遙控消防設備，消防水炮套用場所廣泛。它可以安裝在消防車輛上用於大型火災的撲滅。其優點是允許消防人員進行遠距離遙控消防作業，降低了危險的火災現場對他們的安全威脅。也可以安裝於港口、碼頭、油庫等場所，與火災探測設備聯動，達到快速滅火的目的。同時近些年不斷增多的大型空間建築也為遙控水炮提供了用武之地。本文首先綜述了消防水炮的發展情況，在此基礎上確定了遙控消防水炮的基本參數;針對遙控消防水炮的功能要求，確定遙控消防水炮的本體結構方案，並對各功能部分如霧化機構、變流機構、定位機構、驅動機構進行設計;對各運動機構的運動受力展開分析、計算;在受力分析計算基礎上，計算各運動機構所需要的驅動力矩，根據力矩的計算結果選擇合適的變速裝置;綜合考慮遙控消防水炮的控制要求，設計了遙控水炮控制電路，確定了水炮的控制結構為上位機-下位機式，兩者之間的通訊採用無線方式;對硬體電路的各部分(按鍵電路、無線發射/接收電路、電機控制電路)進行設計，在硬體基礎上開發了遙控消防水炮的控制軟體。

四、泡沫式自動消防水泡系統的工作原理是通過壓力式泡沫比例混合裝置使泡沫滅火劑與水按一定比例混合，通過泡沫產生（噴射、噴灑）裝置，產生一種可漂浮，粘附在可燃、易燃液體或固體表面，或者堆積充滿某一著火物質空間的空氣泡沫，起到隔絕、冷卻、窒息的作用，使燃燒物質熄滅。

泡沫式自動消防水泡滅火系統按其使用方式可分為固定式、半固定式和移動式；按泡沫噴射方式有液上噴射、液下噴射和噴淋方式之分，當然自動式也是必不可少的；泡沫式自動消防水泡按泡沫發泡倍數有低倍、中倍和高倍之分。泡沫式自動消防水泡滅火系統是目前撲救石油、化工企業、油庫、地下車庫場所B類大面積液體火災最有效的滅火系統。完整的泡沫滅火系統由消防泵、泡沫液儲罐、比例混合器、泡沫產生裝置、閥門及管道、電氣控制裝置組成。

影響因素分析

噴嘴的功能及性能指標

噴嘴是消防水炮和消防水槍產生射流的核心部件，滅火劑通過噴嘴時，將滅火劑的靜壓能轉化為動能，約束加快滅火劑流速，射出一股密實的高流速水柱。噴射出噴嘴後，射流吸人大量空氣，全部變成小水滴，小水滴之間被空氣所隔離，從而達到滅火的效果。“GB19156-2003消防炮通用技術條件”對水炮的流量、射程有著明確的規定表1)，因此流量、射程是噴嘴最關鍵的性能指標。

除此之外，噴水強度是決定滅火效率的一個重要因素。對於某一火災場景，存在著臨界噴水強度。當噴水強度低於此值時，火災不能得到有效控制。我國的“GB50084-2001 自動噴水滅火系統設計規範”對於不同火災危險等級所需的噴水強度也給出一個最小值，例如：對於中危險等級Ⅱ級，其噴水強度不應小於8 l⋅min-1⋅m-2。消防水炮射水覆蓋區域過大會降低其噴水強度，對於滅火是非常不利的，因此消防水炮射水覆蓋區域也是消防水炮的關鍵性能指標之一。

噴嘴出口直徑對噴射性能的影響

消防水炮噴嘴出口直徑對噴嘴的噴射性能有很大的影響。如圖1 所示為目前套用最廣泛的噴嘴，其出口處結構決定水從噴嘴噴出前在出口處有一個反射過程。水從喉管經噴芯和噴嘴體間的環隙噴出，射流形式為空心錐形。該放射錐形射流如果不經噴嘴外套反射，即為空心錐形噴霧形態；噴嘴在直流狀態時，從環隙噴出的放射錐形射流經噴嘴外套反射成匯聚形態。

根據連續性方程

(1)

(2)

式中，Si 為噴嘴進口面積；V_i為進口速度；S_oδ為出口水膜截面積；δ 為出口水膜厚度；Vo 為出口速度；D_o 為噴嘴出口直徑。在該反射過程中存在反射損失ξ_R。由流體力學相關理論可知，ξ_R與水膜厚度δ 成正相關，即水膜愈厚，反射損失愈大。在噴嘴出口噴出的射流為匯聚空心錐形。在該匯聚過程中射流水膜與空氣間存在劇烈的能量物質交換，定義為摩擦型能量損失ξ_M。該損失與水膜厚度δ 成負相關，即水膜愈厚，摩擦損失愈小。由方程(1)、(2)可得，在進口流量及出口速度均為定值的情況下，噴嘴出口直徑與水膜厚度成負相關。因此對應每一個流量，都應該存在一個最佳出口直徑D_o 使得反射損失ξ_R和摩擦型能量損失ξM之和最小。

2 消防水炮噴嘴導流板對噴射性能的影響

消防水炮噴嘴導流板在噴嘴的整體結構中有兩大功能：① 作為載體為噴芯提供支撐；② 引導水流，使其速度方向一致，提高水炮射程；但同時也帶來負面影響，就是水流流過導流板時會有附加的阻力損失。為了降低附加的阻力損失，導流板沿噴嘴軸向的截面形狀宜做成流線型，如圖2 所示。與方案A 相比，方案B 能明顯降低局部阻力損失和水流的湍動程度。在滿足支撐強度及剛度需要的前提下，沿噴嘴徑向的截面積越小越好。導流板對水流的引導作用需要分為兩種使用環境討論，即：徑向湍動嚴重的場合及軸向速度分布不均勻的場合。在徑向湍動嚴重的場合，徑向湍動的水流在導流板的引導下湍動程度下降明顯，對於提高噴嘴的射程非常有幫助；在軸向速度分布不均勻的場合，因導流板的設定方向與水流方向基本一致，導流效果不明顯。在軸向速度分布極不均勻的場合，設定導流板會得到更為不理想的結果。在實際套用中，導流板不宜安置在彎頭下游附近，噴嘴若設定於90°彎頭下游，在彎頭出口和噴嘴之間可設定一直段讓經過彎頭變得速度不均勻的水流先緩衝一下在通過導流板時效果比較好，並且無論在什麼場合設定導流板，導流板下游都應有足夠的距離使通過導流板的水流得到緩衝。

3 噴芯結構形式對噴射性能的影響

噴芯與噴嘴體、噴嘴外套共同組成了噴嘴的流道。在整個水炮的內流場中，速度最高、壓力最低的位置就出現在噴嘴出口的噴芯邊緣處，並且噴芯的邊緣是水炮內流場和外流場的分界。該處射流狀態與孔口出流十分相似，應該存在頸縮現象，如圖3。從數值模擬的相關結果(如圖4)中明顯可見，在噴芯外圍存在一個明顯的負壓區；如果噴芯厚度足夠，則該負壓區的存在對於射流會有積極影響，直接表現是射流出口速度增大，且出口界面上速度分布更加均勻。

4 進口流場狀況對噴射性能的影響

進口流場速度分布情況對出口射流狀態的影響直接表現為出口速度和斂角度周向分布不均勻。這會導致本應錐形收斂的射流無法收斂於理論匯聚點，造成射流截面畸形甚至於理論匯聚中心便出現小股射流分叉(如圖5)，射流形態惡化，導致射程減小，落水點不集中。(a) 完美射流 (b) 帶缺陷的射流

5 喉管通徑及收斂角度對噴射性能的影響

喉管直徑D₂ 及收斂角度θ₁ 是直流噴霧消防水炮噴嘴的重要結構參數。其作用是利用噴管的原理將水流的壓力能轉變為動能，在收口到喉管的過程中通徑逐漸減小，壓力能逐漸轉化為水流的動能，為最後從環隙噴出做準備。在該結構中，喉管的通徑決定了上游來流所能達到的最大速度及所造成的壓力損失，對整個噴嘴的性能有相當大的影響，噴嘴喉徑過小會出現噴嘴流量係數變小，且無論怎么加大出口間隙流量係數都不會有明顯變化的狀況。喉徑過大則會限制壓力能向速度能的轉化，造成出口射流發散。收口角度不僅與壓力能轉化為速度能過程中的壓力損失有關，還對喉管內水流的湍動程度有不小的影響。總體來說，收斂角度θ₁ 越大，壓力損失和喉管由水流湍動越厲害；收斂角度θ₁ 越小，壓力損失和喉管內湍動越輕。但是噴嘴總長度有限制，收斂角度不能取得太小。為了避免喉管內湍動過於厲害的水流造成出口射流發散，可以適當加長喉管的長度L₂，使喉管內湍動厲害的水流有充分的時間緩衝。