设计远射程消防水炮的关键之一在于对其流道、喷嘴、稳流器进行优化设计,尽可能地减少内部流动损失,获得良好的流动状态,从而在相同水炮入口条件下达到最远的射程。本文设计了两种结构形式的大流量消防水炮喷嘴——直流式喷嘴和导流式喷嘴,分别对这两种消防水炮喷嘴进行内部流道研究与优化。本文主要研究内容如下:(1)根据课题要求确定消防水炮的性能参数,分别对大流量直流式消防水炮与导流式消防水炮喷嘴进行结构和水力设计。结合ICEM与Fluent软件对设计的两种喷嘴进行内部流场分析,发现本文设计的直流式消防水炮与导流式消防水炮的喷嘴在额定工况下工作时压力损失较大,出口处速度不稳定,这些均会影响射流效果,缩短消防水炮的射程。故需要对这两种消防水炮喷嘴进行水力尺寸优化。在直流式消防水炮中,稳流器的结构形式对射流效果具有重要的影响;而导流式消防水炮的流道结构复杂,需要对其关键的尺寸组合进行优化改进。(2)采用相似理论设计小型直流式与导流式消防水炮喷嘴模型,通过试验研究,得到不同仰角与工作压力下两种小型消防水炮模型的射流轨迹。结合单水滴假设模型与指数增长模型等阻力模型,采用四阶龙格库塔方法计算小型消防水炮模型的射流轨迹。通过计算结果与试验测量值的比较,发现采用指数增长的阻力模型的计算结果更加符合试验测量值。对大流量消防水炮的射流轨迹进行了计算,预测了大流量消防水炮的射程。(3)结合数值模拟与响应面法对导流式消防水炮流道的水力尺寸进行多目标优化。以喷嘴的喉管通径、喉管长度和喉部收缩角为变量,以出口湍流动能最小和出口平均速度最大为目标,使用拉丁超立方设计方法进行试验设计并结合数值模拟生成响应面近似模型。利用NSGA-Ⅱ算法对喷嘴流道水力尺寸进行多目标优化并得到了帕累托最优解集。分析结果表明:响应面模型具有较高的拟合精度,可以提高喷嘴流道的优化效率;选取的三个变量中喉管通径对喷嘴的喷射性能影响最大;优化之后的出口湍流动能和出口速度这两个目标均优于初步设计的原始模型。(4)设计了截面积近似相等的三种稳流器,以稳流器占用水炮流道内部相同体积、相同表面积这两种方案,开展了直流式消防水炮在设计流量下的内部流动数值模拟研究。采用正交试验与数值模拟相结合的方法,挑选出适合大流量消防水炮的稳流器形式。通过内部流动对比分析发现,当水炮不安装稳流器时,出口轴线上的流速增加的少,出口流态明显不均匀。水炮加装三种稳流器后产生的总流动损失都大约在0.1-0.13MPa范围内,稳流器区域产生的流动损失约占总损失的55%。对于截面积相近而截面形式不同的稳流器,稳流器表面积的影响大于稳流器体积的影响。稳流器长度尺寸仍需要结合消防水炮的设计尺寸来优化,存在合适长度值,达到该长度后,安放位置对稳流效果的影响不大。