消防水炮是灭火作业的关键装备之一，随着我国经济社会的快速发展，大流量远射程水炮的需求与应用不断增多，而对大流量水炮内部流动性能及外部水射流特性研究与理论认知的不足，制约了水炮的优化设计与性能提升。
　　本文针对大流量消防炮的连续弯管立体绕转流动、整流消旋矫直流动、收缩喷嘴湍流流动等内部流动现象，以雷诺时均RANS和大涡模拟LES的数值方法，研究二次流发生发展、主流速度分布不均、喷嘴内部压力能转成速度能等问题。以粒子图像测试技术（PIV）验证数值模拟的准确性，采用多种对比方案以及正交试验方法分析整流器性能，并对水炮炮座、整流器、喷嘴等的结构形式和特征参数的经济尺寸进行了研究。论文通过模型水炮试验和实际产品工程试验研究了水炮外部射流参数，包括水炮射程、射高、射流轨迹、水滴直径及水滴洒落分布等射流参数。本文通过理论分析与计算、实验研究、模拟研究等方法，开展了大流量消防水炮的结构设计研究、内部流动研究、外部射流特性研究以及工程应用研究，主要研究工作和创新性成果有：
　　（1）通过研究确立了消防水炮性能设计与评价的强、弱影响因子。其中，强影响因子包括：炮座经济管径、炮座结构形式、整流器形式（有无、结构形式、经济长度、安放位置）、喷嘴特征尺寸（结构形式、收缩角、出口直径、经济长度）；弱影响因子包括：导流片（设置、位置）、弯管曲率系数（R/d）、整流器的分割区域数、湍动能（湍流强度）、炮座段的压力损失（经济管径）等。
　　（2）从理论上探索、研究了消防炮炮体主流道的经济管径设计方法，采用基于雷诺时均RANS的稳态紊流数值模拟方法，计算了不同流量、管径时的流动损失，首次建立了平均流速（管径）与流动损失的幂函数关系式，得出了炮座内部经济流速上限推荐值为7m/s，并得到了实体产品试验结果的验证支持。
　　（3）首次研究并掌握了消防水炮炮座在连续多弯管立体绕转结构形式时的内部水力性能特点，定量分析了流道内部的二次流流动特征，比较分析了不同绕转结构形式时的水力性能和流场特性差异，在此基础上提出了消防炮炮体结构选型和优化设计的方法。
　　（4）建立了涵盖内部流场稳定性、均匀性、连续性、经济性等四个方面的消防炮性能设计的综合评判准则，提出了基于压力、速度、湍流强度（湍动能）、旋涡强度（绝对涡通量）、断面涡流分布（涡通量重心偏心惯量）、主流速度分布均匀度（主流速度重心偏心惯量等4个表征参数）等的计算和多判据评价方法。
　　（5）利用数值模拟的方法，从理论上对不同结构形式、设计参数（长度、体积、湿周、过流面积、倒角、筋板壁厚、筋板片数、筋板径向长度）、安放位置等的整流器性能进行了定性分析和定量计算，建立了相应的多判据计算和评价方法，找到了整流器的整流性能规律和特点，提出了最优整流器结构、设计及应用参数。
　　（6）在基于稳定性的传统内流场研究方法基础上，创造性地提出了内流场均匀性的研究和判定方法，研究提出了炮座、炮管出口断面处涡流场、主流速度不均匀度的评价指标及计算方法，实现了对不同消防炮体结构参数下内流场优劣的定量化、精准化评价，建立了炮座、炮管出口流态差异性判断准则。
　　（7）针对大流量消防水炮的大流量、大通径、大喷口、中等压力等独特特点，研究提出了消防水炮喷嘴出口直段的经济长度及设计规律；拟合了适用于大流量消防水炮新的射程、射高经验计算公式，经试验验证，一致性较好。
　　（8）在试验验证及集成相关研究成果的基础上，研究并系统提出了消防水炮选型、产品设计和工程应用设计的方法及原则。