Building a model of water jet motion exiting a fire hose

Abstract

Об'єктом дослідження є процес руху водного струменя в повітрі, а предметом дослідження – траєкторія руху і вектор швидкості крапель води у двофазному потоці «краплі-повітря». Побудовано модель руху водного струменя в полі сили тяжіння після виходу з пожежного ствола на ділянці існування ядра струменя. Експериментальним шляхом визначено коефіцієнт розширення струменя, величина якого склала 0,016. Побудовано оцінки радіуса струменя, швидкості крапель води і ефективного радіуса струменя захопленого повітря на межі зони ядра і крапельної зони. Отримані величини є початковими умовами для моделі руху крапельної і газової фаз струменя в крапельній зоні. Моделювання руху крапель проводилося з використанням лагранжевого підходу, в рамках якого розглядалася динаміка руху окремих крапель, описана рівняннями руху в тривимірному просторі з урахуванням сил аеродинамічного опору та гравітації. Припускалося, що розподіл діаметру крапель підкоряється закону Розіна–Рамлера. Побудовано модель руху газової фази струменя, яка спирається на рівняння балансу маси і імпульсу, а також враховує викривлення осі струменя внаслідок захоплення повітря краплями, що рухаються під дією сили тяжіння. Модель виходить із припущення про осесиметричність струменя і гаусів розподіл швидкості в його поперечному перерізі. Особливістю моделі є взаємний вплив крапельної і газової фаз струменя на рух одна одної: краплі, втрачаючи імпульс внаслідок аеродинамічного опору, віддають його повітрю. Показано, що краплі меншого діаметру мають меншу дальність порівняно з краплями більшого діаметру. Внаслідок цього падіння води на землю відбувається не в певній точці, а в деякому діапазоні. Зокрема, для пожежного ствола діаметром 19 мм, кута подачі 35º до горизонту і напору води (40÷70) м ширина діапазону, в який потрапляє 90% води, склала (8,7÷11,0) м