消防水炮由于其流量大、射程远、射高高、灭火能力强等突出特点,被广泛应用于各种消防灭火场景,是重要的消防装备。如今建筑物普遍朝着高大化和密集化发展,消防安全隐患增加,为了保障居民生命和公众财产安全,对消防水炮的性能提出了更高要求。本文针对导流式消防水炮的外部射流和内部流动现象,对水炮的外流场射流特性、炮头内导流部件及炮身弯管内导流片三部分展开研究。通过射流基础理论分析、流场数值模拟计算、可视化实验以及对比喷射性能试验等方法,研究水炮结构对流动压力损失、速度大小及分布均匀性、流体旋转性、湍流程度及二次流现象等的影响,优化导流部件关键结构和参数,显著提升了水炮的水力性能。本文主要研究工作及研究成果如下:（1）针对导流式消防水炮射流特性进行研究,从理论上分析了射流流场的结构特性和动力学特性;结合VOF数值模拟方法计算射流初始外流场,得到了不同射流形态下的外流场射流运动情况;搭建了小流量工况下的喷射实验台,实验观测到的实际射流情况与VOF数值模拟的射流流场发展规律有较好的一致性。（2）基于数值模拟与构建响应面模型（RSM）的方法,对导流式炮头内部导流杯芯进行结构优化。以导流杯芯主要结构尺寸为输入变量,以压力损失ΔP和纵向速度分量Vs为输出变量建立响应面模型,最后采用NSGA-II智能优化算法进行多目标优化设计。结果表明:响应面模型对数值模拟结果具有很好的拟合精度与预测精度;得到优化后的Parato最优解集,导流杯芯倒角结构对水炮水力性能的影响较大;针对导流式炮头不同射流形态下的优化,可参考ΔP或Vs的值对导流杯芯结构参数作出调整。（3）基于一种“S”形变截面弯管结构的水炮炮身,研究其内部的导流片对流动状态的影响。设计了导流片的11种不同的布置形式和8种不同的偏置位置,采用数值模拟方法进行计算,计算结果表明安装导流片后可改善流态,出口平均湍动能最高降低了61.6%;通过分析弯管的水力性能、出口速度均匀性和二次流强度等,确定了导流片合适的布置形式和推荐偏移率。搭建了小模型试验台,通过粒子图像测速（PIV）方法获取内部流场运动状态。根据PIV实验和CFD计算结果的对比分析,两者弯管内部流动规律基本一致。（4）对优化前后的导流式消防水炮进行性能喷射试验,试验结果表明:优化后的水炮射程提高4.8%,且该水炮在低于额定流量下工作状况良好。