为提高远射程消防水炮的射程,本文对水炮的内流场、外流场及后坐力这三部分进行分析。对内部结构进行优化,尤其是对整流器、弯管及喷嘴结构的优化,以减小内部流动损失,改善内流场流动状态,提高射流的集束性,使水炮达到最远射程。本文主要研究内容如下:(1)通过对原水炮模型进行仿真模拟,发现水炮喷嘴来流紊乱,有切向和轴向速度分量,造成喷嘴射流水柱过早破碎,需要对水炮关键结构进行整流及优化。首先对喷嘴收缩角及具有微整流作用的喷嘴出口圆柱段,进行结构设计及流场分析,确定出喷嘴最佳收缩角及喷嘴出口圆柱段长度。(2)结合正交试验与流场数值计算的方法,对U型管的直管进行研究,结合水炮工作的平衡性及结构的紧凑性,确定直管的最佳长度。为了确定弯管导流片的安放位置及数量,对180°弯管做了详细分析,确定弯管造成的速度偏移,并找出偏移量与水炮仰角的关系,最终得到获得良好弯管流动的最佳导流片安放位置为弯管内壁面附近。(3)为获得较好的喷嘴来流,在直管段内安放整流器。本文重点研究了整流器截面形状、整流器进出口处理方式、整流器长度对内流场的影响,以压力损失、出口速度分布、出口湍动能及出口轴线速度为考核标准。得到整流器分割流道数量越多,整流效果越好,越有利于提高射程。考虑到普通整流器的肋片为直板结构,会产生较大的冲击损失,因此本文设计了含有螺旋形肋片的双层圆管整流器及正六边形流道的螺旋蜂窝整流器。从流线图、压力损失及与普通整流器的对比得出,当安放角等于液流角时,整流器损失及水炮进出口压力损失最小,能量损失少。与普通整流器相比,螺旋蜂窝整流器在螺旋流道的引流下,部分切向和径向速度能转化为轴向速度,获得较大的出口平均速度。同时采用实验和模拟相结合的方法研究了三种不同螺距变化方式对整流器性能的影响。安装螺旋形整流器后,整流器损失及水炮总压损失比普通整流器的小,整流效果较好,整流器压损少,可有效提高射程,为整流器的设计提供技术参考。(4)最后又对水炮外流场进行分析,通过算例验证了模拟方法的可靠性。从内流场的分析,得到最佳水炮结构。并分析了仰角及喷嘴出口速度分布对射流的影响,得出对射流有利的喷嘴出口速度分布规律。在此基础上,对水炮的后坐力做了流固耦合分析,证明本文设计的水炮结构满足实际工作的受力要求。