消防水炮是火灾应急救援的基本设备。在船舶上，供水水源充足且船用发电机功率较大，一般需要配备流量较大的船用固定式消防水炮，消防水炮炮管段通常是由多段弯管相连接构成的空间连续弯管结构，消防水炮就是利用炮管和喷嘴等部件把水的压能转为动能，达到灭火的目的。但在实际运行过程中，炮管段的空间连续弯管结构引发了多种复杂的流动现象，增加了水力损失，导致水炮出口位置水流不够集中，水炮的射程和射高难以达到预期效果，产生很大的能源浪费。因此，有必要研究一种针对大流量消防水炮提高水力性能、减小水力损失的结构和方法。本文的主要研究工作和创新点有：
　　1、总结了目前国内外主要的弯管湍流分析、消防水炮内流分析、消防水炮结构设计相关的文献，对比分析了弯管流动的研究成果和不足。
　　2、介绍了数值模拟方法的基本原理和各主流CFD模拟软件，分析了各主要湍流模型的适用条件，选取标准k-ε湍流模型作为本文的主要模拟方法。
　　3、对目前常用的传统U型消防水炮炮管结构进行流体动力学研究，基于标准k-ε湍流模型对三种流量工况和两种仰角下的炮管结构进行数值模拟。并对U型消防水炮炮管的结构参数进行正交试验分析，通过极差分析得到消防水炮炮管各结构参数（仰角θ、大弯管回转半径R、小弯管角度φ和小弯管回转半径r）对炮管压力损失、出口湍动能、湍动能耗散、壁面切应力等影响的主次顺序。结果表明：在理论最优仰角与试验最优仰角、以及流量167L/s、流量120L/s及流量80L/s工况下，水炮的主要设计参数对结果的影响规律基本一致；水炮回转半径对水炮整体的性能影响最大，是最主要的设计参数，而直段长和下弯管角度对水炮的性能有一定影响，直段减弱了炮管内的涡旋强度。
　　4、针对大回转型消防水炮，创新性地提出非圆截面的水炮流道形式。分析不同椭圆型截面炮管对水炮流道内部流动状态的影响，对竖向椭圆截面和横向椭圆截面分别选取3组不同离心率，即压扁程度的椭圆形状。通过分析炮管内流流态、炮管能量损失、和出口速度均匀度等性能参数，研究变截面消防水炮的规律，验证变截面消防水炮炮管的可行性。结果表明：椭圆截面炮管在压力损失方面与圆管相差在4%以内，竖向椭圆截面炮管随着离心率的增大，涡通量和出口速度平均偏差都减小，且与圆截面对比，出口速度平均偏差在三种流量下均降低21%以上，说明竖向椭圆截面出口速度均匀性好于圆截面，相同离心率的竖向椭圆截面炮管优于横向椭圆截面炮管情况；基于出口湍动能、壁面切应力，出口速度等方面进一步分析比较，发现非圆截面的炮管随着压扁程度的增加，在出口速度方面均具有比较明显的优势同时带来绕转结构紧凑的特点；对比传统U型炮管出口、圆截面大回转炮管和竖向椭圆截面炮管出口，发现椭圆截面炮管出口流态要优于圆截面炮管，但是和U型炮管出口之间的优劣差异不是特别明显。
　　5、针对现有的试验条件，分别设计圆截面和非圆截面可观测水炮炮管，搭建小模型消防水炮试验台，在流量为2.78L/s、3.42L/s时对水炮炮管回转位置直段和出口直段开展PIV可视化试验。结果表明：通过数值模拟与PIV试验获得的流场速度分布基本一致，进一步验证了本文的研究方法和结果的正确性。