随着城市化进程的加快,火灾对社会安全造成了巨大危害,对消防灭火装置的性能提出了更高要求。消防水炮是喷水灭火系统的重要部件,是将泵的压力势能转化为射流动能的核心部件。直流式消防水炮具有射程远、流量大和易于加工等优点,广泛应用于各种灭火设备。本文在“国家重点研发计划项目——高机动多功能应急救援车辆关键技术研究与应用示范·新型多功能城市主战消防车辆关键技术研究及产品研发(项目编号:2016YFC0802908)”的资助下,采用了理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法对直流式消防水炮的射流流场特性展开了研究。消防水炮的射流是一种低压非淹没水射流,针对消防水炮的水射流特性,理论分析了消防水炮射流流场的结构特性和动力学特性;设计并搭建了消防水炮射流实验台,通过高速相机获取消防水炮的外部射流图像;基于计算流体力学基本定律,建立了消防水炮的的水射流计算模型,对射流内外部流场特性进行仿真。结果表明:在消防水炮外部区域,由于气液界面的相互作用,射流表面将产生雾化现象且雾化区域随着射流距离的增加而逐渐增大,理论分析、实验观测和仿真结果有较好的一致性。通过实验和数值模拟的手段研究了不同射流压力和喷嘴结构参数下直流式消防水炮外部射流的宏观特性。结果表明:射流压力对射流的集束性和表面波动特性有很大的影响。随着射流压力增大,射流扩散角随之增大,表面波动范围增大,射流锥角增大,过高的压力不利于维持射流稳定性;喷嘴收缩角α、稳流段长度l对射流的影响较小,而出口直径d是影响射流径向速度分布和射流流量的关键结构参数,出口直径的增大不利于维持射流稳定性。针对消防水炮射流表面波的波动发展规律,本文基于高速显微及连续成像技术对射流表面波动过程进行了动态捕捉,并结合图像后处理技术对射流表面结构参数进行定量测量和分析。根据获得的射流表面的波长和波幅变化,讨论了消防水射流的波长特性、波幅特性与气体韦伯数的关系。发现随着气体韦伯数的增加,射流表面波的结构尺度由规则的大尺度结构逐渐演变为随机小尺度波,平均波长减小。此外,随着射流距离的增加,射流表面的波长和波幅逐渐增大,且低韦伯数时的增长速率小于高韦伯数时的增长速率。本文的研究成果有助于加深对消防水炮射流特性的认识,相关结论可为消防水炮结构设计和性能优化提供一定的参考。