考虑压力脉动的消防水炮自适应炮头射流系统参数振动研究

消防水炮自适应炮头可根据流体压力和流量变化自动调整炮口开度,从而显著提升其射流性能。考虑自适应炮头射流系统中流体的压力脉动,结合流体体积弹性模量与刚度间的关系,建立基于时变流体刚度的射流系统参数振动动力学模型,采用多尺度法推导脉动激励频率接近射流系统固有频率和固有频率与脉动频率的组合频率时的共振响应公式,分析射流系统的主共振和组合共振响应。结果表明射流系统发生主共振响应时,激励频率占主导成分,且接近一阶固有频率时系统共振幅值最大;射流系统发生组合共振响应时,激励频率与流体刚度波动频率的组合频率对系统响应的影响与流体脉动频率有关;主共振和组合共振将恶化系统的动力学行为。本项研究可为深入探索自适应炮头射流系统的动力学特性,优化不同工况环境下的设计参数提供理论依据。

气液混合流体的体积弹性模量理论模型研究

气液混合流体的体积弹性模量是流体本身的物理性质,直接影响流体传动的准确性、快速性和稳定性。建立准确的气液混合流体体积弹性模量理论模型是实现流体机械设计和优化的基础,具有重要的理论和工程应用价值。通过分析流体空化演变过程,在亨利定律的基础上,运用五次多项式法建立流体内气相组分含量与压力间的数学模型,推导出气液混合流体体积弹性模量理论模型(Model1)。结合物理试验样本数据,选取三种流体体积弹性模量理论模型与Model1的计算结果进行对比,并分析初始含气量和流体压力对气液混合流体体积弹性模量的影响规律。研究结果表明:Wylie与Nykanen模型在等温条件下的体积弹性模量差别很小,在全压力范围内的体积弹性模量均比较接近;Ruan模型在高压区的体积模量预测结果偏大,而在低压区与Wylie模型比较接近;所建立的Model1模型的体积弹性模量预测结果与物理试验实测点更接近,且在考虑低压区流体呈现气态特性的基础上,给出了更加准确的低压区气液混合流体体积弹性模量预测方法。本项研究可为建立准确的气液混合流体体积弹性模量理论模型提供参考。

消防炮自适应炮头射流系统自由振动分析

消防炮自适应炮头可根据流体压力和流量变化自动调整炮口开度,从而提高消防炮的射流性能,快速高效地扑灭大型火灾。但炮头末端的自适应机构使射流系统具有流固耦合特性,在高速高压作用下,射流系统可能会发生振动乃至共振,进而影响灭火效率。考虑射流系统中流体域和固体域间的流固耦合效应以及炮头内连续体芯杆和端盖与其他离散结构间的连续离散耦合效应,通过集中质量法确定了芯杆和端盖结构的刚度矩阵,采用集中参数法建立了消防炮自适应炮头射流系统的动力学模型及方程。对射流系统进行了自由振动分析,确定了系统各阶固有频率及模态振型,分析了流体初始体积含气量和流体压力对系统固有频率的影响规律。由样机模态试验可知,理论与试验确定的一阶固有频率偏差仅为0.51%,验证了消防炮自适应炮头射流系统动力学模型的准确性。本项研究可为消防炮自适应炮头射流系统的动力学优化提供理论依据。