（机械电子工程专业论文）ig541气体灭火系统设计计算研究及软件开发.pdf

摘要 i g 5 4 1 气体灭火系统是一种洁净的灭火系统，目前这种灭火系统应用比较广泛。 i g 5 4 1 系统的核心技术之一是关于其管网的设计计算方法，但目前在国内还没有科 学、准确的设计计算方法，这限制着i g 5 4 1 系统的应用。 本论文研究i g 5 4 1 气体灭火系统的管网设计计算方法，结合气体动力学，工程 热力学，管道水力计算学相关知识，建立管网设计计算相关数学模型并编写i g 5 4 1 灭火系统的设计计算软件。建立了i g 5 4 1 系统灭火试验室及相关实验采集系统，对 i g 5 4 1 系统的设计计算进行了实验研究，在实验的基础上对设计计算的理论模型进行 了修正。最终的多项灭火试验表明，软件的设计计算结果准确，各项参数均在国家 规定的范围内。 本论文各章节的内容如下： 第一章全面介绍了i g 5 4 1 灭火系统组成，灭火特点及应用背景，阐述了i g 5 4 1 系统管网设计计算的研究现状、研究的意义及目的，提出了本课题的主要研究内容 及技术难点。 第二章介绍了目前通常的i g 5 4 1 系统管网设计计算方法，分析了不足的地方。 提出了动态的设计计算方法，介绍了这种设计计算方法的计算步骤，详细阐述了管 网设计计算中各项参数的计算方法，建立了其数学模型及算法。 第三章，利用v i s u a lc + + 开发平台开发了i g 5 4 1 系统管网设计计算软件，详细 介绍了该软件的功能、主要界面，阐述了本软件的实现过程，包括关键数据结构及 关键算法。 第四章为当量长度测量实验系统和i g 5 4 1 系统灭火实验室及相应数据采集系统 的建立过程，详细介绍了实验室的管网布局及实验方案，采集系统的硬件、软件设 计。 第五章，进行了多项i g 5 4 1 灭火及i g 5 4 1 气体喷放试验，研究各节点的气体压 力变化，研究减压孔板孔径的大小对气体喷放的影响，验证了软件计算的准确性。 第六章对本课题的研究进行了总结，为本课题的进一步开展作了一些展望。 关键词：i g 5 4 1 ，管网计算，水力计算，孔板设计，灭火试验 a b s t r a c t i g - 5 4 1 f i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e mi so n eo fc l e a na g e n tf i r ee x t i n g u i s h i n g s y s t e m sa n di t sw i d e l yu s e d a tp r e s e n t t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h i ss y s t e mi sf l o w c a l c u l a t i o n h o w e v e l t h e r ei s l l tas c i e n t i f i ca n de x a c tm e t h o df o rf l o wc a l c u l a t i o n i t l i m i t si g 5 4 1s y s t e mt ob cw i d e l yu s e d i nt h i st h e s i s t h ef l o wc a l c u l a t i o no fi g 一5 4 1p i p es y s t e mi sr e s e a r c h e db ym e a n so f t h e k n o w l e d g eo fg a sd y n a m i c s ，t h e r m o d y n a m i c sa n dt h e r m o d y n a m i c se t c t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ep i p e l i n es y s t e m sd e s i g na n dc a l c u l a t i o na l er e s e a r c h e d ，a n d t h e nt h ed e s i g ns o f t w a r eo fi g 一5 4 1e x t i n g u i s h i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d i g 一5 4 1f i r e e x t i n g u i s h i n gl a b o r a t o r ya n dr e l a t e de x p e r i m e n t sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma r ee s t a b l i s h e d t h ec a l c u l a t i o no ft h et h e o r e t i c a lm o d e li sc o r r e c t e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y a n u m b e ro f t h eu l t i m a t ef i r ee x t i n g u i s h i n gt e s ts h o w s , t h er e s u l t so f t h es o f t w a r ed e s i g na n d c a l c u l a t i o na r ea c c u r a t e a n da l lt h ep a r a m e t e r sa r ei nt h el a wo f t h es t a t e i n c h a p t e r1 ，t h ed e f i n i t i o n ，e x t i n g u i s h i n gm e c h a n i s m & c h a r a c t e r sa n dt h e b a c k g r o u n do fa p p l i c a t i o na r ei n t r o d u c e dc o m p r e h e n s i v e l y t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u s ， t h er e s e a r c ha i ma n ds i g n i f i c a n c ea r es u m m a r i z e d a l s ot h em a j o rt o p i c so fs t u d ya sw e l l a st h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e sa l ed e s c r i b e d t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e s t h eu s u a li g 一5 4 1s y s t e md e s i g n & c a l c u l a t i o n m e t h o d t h i sm e t h o di si n c o r r e c t s oad y n a m i cd e s i g nm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r d c a l c u l a t i o ns t e p s ，t h em e t h o do fc a l c u l a t i n gp a r a m e t e r so fp i p e l i n es y s t e ma n di t s m a t h e m a t i c a lm o d e la n da l g o r i t h m sa r ee l a b o r a t e d i nc h a p t e r3 ，t h ei g - 5 4 1s y s t e md e s i g ns o t l w a r ei sd e v e l o p e db a s e do nt h ev i s u a l c + + d e v e l o p m e n tp l a t f o r m d e t a i l so ft h ef u n c t i o n sa n dt h em a i ni n t e r f a c eo ft h e s o f t w a r ea r ei n t r o d u c e d t h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s si n c l u d i n gk e yd a t as t r u c t u r ea n dk e y a l g o r i t h m i se x p o u n d e d i nc h a p t e r4 ，t h ee q u i v a l e n tl e n g t hm e a s u r e m e n ts y s t e m s ，t h ei g 5 4 1e x t i n g u i s h i n g l a b o r a t o r ya n di t sc o r r e s p o n d i n gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma l ee s t a b l i s h e d t h ed e t a i l so f t h e u l a y o u to fp i p e l i n e s ，t h ee x p e r i m e n tp r o g r a m ，t h eh a r d w a r ea n ds o l , r a r ed e s i g no f a c q u i s i t i o ns y s t e ma r ee l a b o r a t e d i nc h a p t e r5 ，s e r i e so fi g 一5 4 1s u p p r e s s i o na n di g 5 4 1g a ss p r a y e do u tt e s t sa r e c a r r i e do u t t h eg a sp r e s s u r eo fe a c hn o d ei ss t u d i e d h o wt h ed e c o m p r e s s i o no r i f i c e a p e r t u r es i z ei n f l u e n c et h ei g - 5 4 1g a sj e t t i n gi sr e s e a r c h e d t h ea c c u r a c yo fc a l c u l a t i o n s o f t w a r ei sc e r t i f i c a t e d a tl a s t ，s o m ec o n c l u s i o n sa r eg i v e na n ds o m en e wv i e w sa r ep u tf o r w a r di nt h e f u t u r e k e yw o r d s ：i g - 5 4 1 ，f l o wc a l c u l a t i o n ，o r i f i c ed e s i g n , e x t i n g u i s h i n ge x p e r i m e n t 1 1 1 论文中所使用的符号说明 符号符号含义单位 备注 q流量 k g s t ，t 时间s p 压力 p a 矿 容积m 。 万 落压比孔板下游端压力与上游端压力比 肘质量 k g i g 5 4 1 气体灭火剂的质量 一 面积 盯 孔板孔的面积 p 密度 k g m l ) 速度m s k 1 g 5 4 1 气体比热比系数 七= 乡 m r ( 2 2 ) p 眦只名i n ( 2 3 ) 乃乃( 2 - 4 ) 式中q m ，吼同一空间内任意两个喷嘴，m ，n 的实际喷放量( k g ) ； 防护区内某一空间实际的药剂喷放量( k 曲； m 一，m m 防护区内某一空间设计的最大和最小药剂喷放量( k g ) ； p 喷嘴的实际气体喷射压力( m p a ) ； ，于k 规定的最大喷射压力和最小喷射压力( m p a ) ； 乃管网系统的实际喷射时间( s ) ； 乃管网系统的设计喷射时间( s ) 。 因此，管网水力计算实质就是寻求满足式( 2 1 ) 式( 2 - 4 ) 的最准确的一组参数 【5 8 1 2 。1 静态的设计计算方法 2 0 0 6 年5 月1 日，中华人民共和国建设部和国家质量技术监督检验检疫总局在 总结了我国目前关于气体灭火系统工程设计应用相关研究成果，联合发布了国家标 准气体灭火系统设计规范g b5 0 3 7 0 - - 2 0 0 5 ( 以下简称设计规范) 。设计规范中 首次介绍了i g 5 4 1 系统管网设计计算方法。是这样规定的： 9 浙江大学硕士学位论文 1 、管道的流量宣采用平均设计流量。 瓯= 1 0 9 5 一w 心 g = q 式中：q 一主干网平均设计流量( k s ) ； ，一灭火剂设计喷放时间( s ) 。 g 一支管平均设计流量( k s ) ； s 一安装在计算支管下游的喷头数量( 个) ： q 一单个喷头的平均设计流量( k g s ) 。 2 、减压孔板前的压力 嘲( 焘 5 ( 2 - 7 ) 式中：曰一减压孔板前的压力( m p a ，绝对压力) ； 昂一灭火剂储存容器充压压力( m p a ，绝对压力) ； 一系统全部储存容器的总容积( m 3 ) ； k 一减压孔板前管网管道容积( m 3 ) ； k 一减压孔板后管网管道容积( m 3 ) 。 此式是以释放9 5 设计用量的一半时系统的状况，按绝热过程求出减压孔扳前 管网内i g 5 4 1 气体的计算平均压力。 3 、减压孔板后的压力 b = 万一。( 2 8 ) 式中：最一减压孔板后的压力( m p a ，绝对压力) ； 占落压比( 临界落压比：万= o 5 2 ，落压比在0 5 2 0 6 0 中选) 。 l o 浙江大学硕士学位论文 值。 4 、减压孔板孔i ：1 面积的计算 e 2 面9 5 矗知币2 柳 o 乒t e 占”5 一万。” f ，q 、 式中：五一减压孔板孔口面积( c m 2 ) ： g 一减压孔板设计流量( k s ) ； 段一减压孔板流量系数。根据孔径与管径的比值d d ，取0 6 ，0 6 1 ，0 6 2 三个 此式是根据亚临界压差流量计算公式： q = u f 只 而求得。 5 、管网的压力损失从减压孔板后算起，管道的压力损失计算公式： e 2 巧+ 彳三q 2 + b ( z 2 一z 1 ) q 2 ( 2 1 1 ) 彳= 砸石而1 丽o 2 4 2 l o 一d o b ：1 6 5 3 x 1 0 7 d 4 ( 2 1 3 ) 式中：q 管道设计流量( k g s ) ； 卜计算管道长度( m ) ； d 一管道内径( n u n ) x 一计算管段始端压力系数( o 1 m p a k g m 3 ) ： e 一计算管段末端压力系数( o i m p a k g m 3 ) ： z l 一计算管段始端密度系数； z 一计算管段末端密度系数。 此式的推导是采用可压缩流体绝热流动计入摩擦损失，建立管流方程式： 浙江大学硕士学位论文 一d p + a v d u + 墨：芝：丝：0 一+ 一+ 一= pg 2 g d 最后推算出： 陀一1 4 ) = 等00 4 鬟d 筹l ：彤、 1 ”z +，1 n 管道压力系数y 和密度系数z 由查表求出。 6 、喷嘴等效孔口面积的计算 只：堡( 2 1 6 ) g f 式中：，c _ - - l 口面积( c m 2 ) 。 g f 一等效孔口面积单位喷射率【k g ( s c m 2 ) 。 喷嘴单位喷射率由管网喷嘴处的压力查表求得。由喷嘴的等效孔口面积查表求 得喷嘴规格代号i 们1 。 设计规范中给出的计算方法是一种静态的设计计算方法，对i g 5 4 1 气体灭火系 统的实际工程设计有很大的指导意义，但这种计算方法比较粗略，存在以下不足： 首先，第2 步计算出的管网前的压力并不能代表管网的平均压力，在进行管网 压力损失计算时，将设计流量和2 、3 步计算的压力作为平均状态下的流量和压力， 是非常粗略，很不精确的。 其次，在设计计算时多采用查表的方法进行计算，计算结果不准确，且不利于 计算机程序计算。 最后，该设计方法中未提到有关喷射时间的计算。喷放时间以及各保护空间的 实际灭火剂浓度，这两个参数对于i g 5 4 1 系统管网设计又是至关重要的。这是因为 各保护空间的设计浓度必须在6 0 s 内达到设计浓度的9 5 ，只有这样才能达到迅速、 安全、可靠灭火的目的。 综上所述，设计规范中规定的设计计算方法，虽然对i g 5 4 1 系统的设计有很大 指导意义，但这种静态的设计计算方法相当粗略，有些公司的i g 5 4 1 系统采用两级 减压，即喷嘴处也带有孔板调节喷出气体的压力和流量，这种系统的设计计算就不 能应用设计规范中介绍的设计计算方法了。 1 2 浙江大学硕士学位论文 2 2 动态的设计计算方法 i g 5 4 1 系统在喷放气体过程中，管网内任一点的压力、流量、密度都是随时间 变化的，i g 5 4 1 气体从钢瓶喷出经过管网再到喷嘴，可以分以下三个阶段： ( 1 ) 瓶头阀打开到灭火剂充满管网并且所有喷嘴开始喷射灭火剂，这一阶段 时间很短； ( 2 ) 各喷嘴开始喷射灭火剂到保护空间达到9 5 的设计浓度。这一阶段各管 道内气体的流量，i g 5 4 1 气体的温度，钢瓶及管网各节点气体的压力连续变化。 ( 3 ) 保护空间达到9 5 的设计浓度后，钢瓶内剩余灭火药剂喷放【1 9 1 。 管网的设计计算主要针对第二阶段内各管道内气体压力和流量的变化规律进 行研究。因此在满足工程设计精度的要求的前提下，假设灭火剂从容器阀流出后， 首先充满管网，之后所有喷嘴一齐喷射灭火剂，即管网充满过程之中喷射的灭火剂 量忽略不计。 i g 5 4 1 灭火系统的设计计算过程如下： ( 1 ) 划分和确定1 g 5 4 1 气体灭火系统的保护区域； ( 2 ) 在同一保护区域中根据情况划分和确定不同的保护空间； ( 3 ) 计算保护区域或保护空间的体积； ( 4 ) 确定保护区域或保护空间的预期最低环境温度和预期最高环境温度和正常工作 环境温度； ( 5 ) 根据保护区域或保护空间的体积、设计淹没系数计算需要最小的1 g 5 4 1 气体量； ( 6 ) 根据保护区域的海拔高度修正i g 5 4 1 气体量； ( 7 ) 根据需要最小的气体量选择1 g 5 4 1 气体的钢瓶数并计算实际使用的气体量； ( 8 ) 根据实际使用的气体量复核在预期最高环境温度下的实际浓度； ( 9 ) 根据实际使用的气体量计算在正常工作环境温度下的设计浓度： ( 1 0 ) 根据正常工作环境温度下的设计浓度确定喷完9 0 i g 5 4 1 气体量所需的喷放时 间： ( 11 ) 根据喷放时间和实际使用的气体量，估算各管段中的设计流量； ( 1 2 ) 估算减压孔板的口径、各管段的管径； ( 1 3 ) 计算卸压口面积； ( 1 4 ) 根据输入的管网信息及以上的计算信息，计算减压孔板的孔径； 1 3 浙江大学硕士学位论文 ( 1 5 ) 建立钢瓶出1 2 1 气体压力跟流过减压孔板气体流量的关系( 管网系统的压力流量 特性) ； ( 16 ) 验算管道管径； ( 1 7 ) 分别计算峰值和平均状态下，管网的压力损失； ( 1 8 ) 根据喷嘴处的气体压力和流量确定喷嘴的孔径； ( 19 ) 计算喷射时间【s ，t 1 6 2 3 0 7 ，5 2 】； 当喷嘴处的气流峰值压力不在规定的范围或者喷射时间超过6 0 s 时，则需要调 整管网参数，通常是增加灭火剂量或者修改设计的喷射时间，使管网的各项指标均 达到设计要求。 下面详细阐述各部分的设计计算方法。 2 2 1 灭火剂需求量的计算 i g 5 4 1 气体灭火系统最小灭火设计浓度是3 7 5 ，最高设计浓度是4 2 8 。这 个设计浓度范围值实际上是针对有人工作的场所，因为在这个设计灭火浓度范围值 之内，可以保证在喷放i g 5 4 1 气体时，对仍停留在保护区域中的人员无任何伤害。 但对于无人工作的场合，根据需要，i g 5 4 1 气体灭火系统的设计浓度实际上是可以 超出上述的数值。最小设计浓度是针对保护区域的预期最低环境温度而定的，一般 经计算选定了i g 5 4 1 灭火剂的实际用量后，要求复核其在保护区域预期最高环境温 度条件下的实际浓度是否超出4 2 8 。 由于防护区并不是密封的，带有卸压口，所以在计算灭火剂用量时，存在三种 不同的算法：( 1 ) 先混合后泄漏，这种计算方法是假设i g 5 4 1 气体喷射完成后，才 开始从卸压口泄漏气体；( 2 ) 边混合边泄漏，从卸压口出去的气体是空气与i g 5 4 1 气体不是按一定的比例混合的，而是逐渐增大；( 3 ) 先泄漏后混合，这种是假设从 卸压口出去的气体就是空气。按第一种方法计算出的灭火剂用量是偏大的，是一种 比较保守的计算方法，而第三种方法则正好相反，第二种假设模型比较精确。 目前通用的i g 5 4 1 气体灭火系统灭火药剂的计算方法是采用美国火灾防护协 会n f p a ( n a t i o n a lf i r ep r o t e c t i o na s s o c i a t i o n ) ( 2 0 0 1 ) s t a n d a r do nc l e a na g e n tf i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m s ) ) 上介绍的计算方法，采用的就是边混合边泄漏的模型，其灭 火剂需求量的计算公式1 1 9 】为： 1 4 浙江大学硕士学位论文 m 瑙善i n 丽1 0 0 堪丝笋l g ( 矗0 0 多c 啦1 s l o o cs。l 一7 r 7 、 k 一大气压力校正系数，k = 5 3 7 8 8 1 0 母h 2 1 1 9 7 5 1 0 4 h + i ( h ，海拔高 度( m ) ) ； v 一防护区总容积( m 3 1 ； c 一灭火剂设计浓度乘以1 0 0 所得的值。 s l g 5 4 l 气体比容( m 3 l 【g ) ，s = 0 6 5 7 9 9 + 0 0 0 2 3 9 t ( t 为防护区最低环境温 度) 。 另外考虑到钢瓶内以及管网内剩余的i g 5 4 1 气体不能完全喷到保护区，因此还 要设计灭火剂余量。国家设计规范规定，系统的灭火剂剩余量应按计算： m 2 7 v o + 2 吃 ，圪分别为储存钢瓶总的容积量，管网总的容积量。 7 0 l 的i g 5 4 1 气体储存钢瓶在充装压力为1 5 m p a 的情况下， 为1 4 7 5 k g 。所以所需的灭火剂储存钢瓶的数量n 计算式为： _ i n t ( 1 4 m - - m - - 。) + 1 灭火剂的充装量 ( 2 - 1 外 i n t ( ) 表示取整数。 以上计算的只是在设计浓度c 下的最小需求灭火剂量，在实际计算过程中， 根据需要，在实际灭火剂浓度不超过4 2 8 的情况下，可能要增加灭火剂储存钢瓶 数量。 2 2 2 卸压口的计算 当往防护区内喷射i g 5 4 1 灭火气体时，为了防止防护区内的气压升高太大，通 常在防护区的墙壁上开卸压口，卸压口面积是该防护区采用的灭火剂喷放速率及防 护区围护结构承受内压的允许压强的函数。喷放速率小，允许压强大，则卸压口面 积小；反之，则要求卸压口面积大。卸压口面积的计算采用国家设计规范中规 定的计算方法： f 2 2 0 ) 盟厄 l司 ：。 以 浙江大学硕士学位论文 式中，以一卸压面积( m 2 ) ； 瓯一单个防护区内i g 5 4 1 的最高喷放速率( s ) ； 只纛一防护区围护结构承受内压的允许压强( p a ) ，一般取1 2 k p a ： 2 2 3 减压孔板设计计算研究 1 g 5 4 1 气体灭火系统的灭火剂是以纯气态方式储存，为了在单位储存容积里储 存更多的灭火剂，必须用较高的压力来压缩灭火剂( i g 5 4 1 ) 气体，在实际喷射过 程中不能以过高的压力和过快的速度喷放灭火剂，必须要在系统的主干网入口处上 加一个减压装置，通常最方便的是加一个孔板。这是因为过高的喷放压力对输送气 体管道提出了更高要求，并且压力过高、衰减过快容易使管道剧烈震动，国家设计 规范规定喷放9 5 的灭火剂的量要大于4 8 s 1 2 0 1 ，所以喷放速度不能过快。减压孔扳 的主要作用是减压，控制i g 5 4 1 的喷放速度。减压孔板是i g 5 4 1 灭火系统区别其它 气体灭火系统( c 0 2 、卤代烷等) 所特有的设备。 i g 5 4 1 气体以1 5 m p a 的高压喷出，气流脉动很大，管道震动剧烈，减压孔板另 一个重要的作用就是给管道减震，减压孔板是一个阻尼元件，能降低气流的脉动。 其减震机理是：当气流通过减压孔板时，会形成局部压力降。这是因为原来具有反 射能力的端点，失去了反射能力，构成无声学反射的端点条件。这样在管道中原来 存在的压力驻波改换成只有单向行进的行波了，振幅下降，因而降低了压力脉动的 不均匀度，达到减轻管道震动的目的【帅】。 通常在集流管出口，即系统主干管道的入口端设置减压孔板，为了调节每个喷 嘴喷放气体的量以及喷射压力，在喷嘴入口也设置减压孔板。设计计算出各个减压 孔板的孔径是管网设计计算的一个核心内容，也是管网设计的关键。 流体通过减压孔板的压力和流速的变化情况如图2 1 所示，在1 1 截面前， 流体未受到孔板的影响，管道内的流速分布同孔板前较长的直管段形成的规则速度 分布( 称为充分发展管流) ，管道轴心处的静压与管壁处的静压相等；1 1 截面后 ( 约0 5 d - - 2 d ) ，流体开始受孔板的影响，靠近管壁的流体向中心加速，平均流速 v 1 逐渐升高，直至2 2 截面( 孔板开孔后一定的距离) ，流束收缩到最小，平均流 速达最大值v 2 ，这是因为流体的惯性使得流束经孔口后有射流现象；自2 2 截面 1 6 浙江大学硕士学位论文 后，流束开始膨胀，直至3 3 截面，又恢复到1 一l 截面前的情况，此时平均流速 由v 2 逐渐降低至v 3 ，与平均流速相对应的静压p 也经历由低到商再恢复到低值。 在流体进入节流件前、后的管壁附近形成涡流，流体微团不仅有横向脉动，而且还 有逆向运动，是一种非常复杂的流动状态，这一段压力脉动非常大，孔板的压力损 失很高，就是这些涡流能量耗散造成的 3 9 , 4 1 , 4 3 4 4 l 。 1 翰国 23 | 、月连毒美誉辑7 一 ，龄圭蔓 ； 1 阀 23 一、厂 可 q 司 爪， | f 引i1习l 图2 - 1 减压孔板附近的流速和压力分布 由图2 1 ，可以看出在孔板截面处，气体的压力最低，流速最快，随后压力将 升高，流速将降低。通过以上分析及图2 l ，可以作这样的假定，当4 4 j ( 万为 一定值) 时，气体在孔板截面处的流速为当地音速，达到临界状态，下面进行论证。 对于一元定常等熵气流，微分形式的连续性方程和运动方程分别为【冽： 运动方程可改写为： 塑+ 竺+ 坐；o p 矿 一 矿d v + 三d p ：o p f 2 - 2 2 ) 矿d vl d p d p d p ：一c 2 塑 p dp p p c 2 - 2 3 ) 其中c 为声速。由此得： 1 7 浙江大学硕士学位论文 塑：一鬈坐：啪：坐 p c 1 2v v 其中m a 为马赫数，将式( 2 - 2 3 ) 代入式( 2 2 4 ) ，得： ( m a 2 - 1 ) 等一( 2 - 2 5 ) 下面分三种情况进行讨论： ( 1 ) 若m a o ，贝j d v 与刎符号相同，说明通道 面积减小时，气体流速减小，反之，面积增大时，速度增大。这一特性恰恰与亚音 速流动相反。这是因为在m a 1 时，密度的下降率大于速度的上升率，这就导致在 气流速度增大时，为了通过相同的质量流量( p v a ) ，需要更大的界面积a 。 ( 3 ) 若朋a = l ，即音速流动，由式( 2 2 5 ) ，得： 百d a = o ( 2 2 6 )月 从数学的角度说，d a = o 对应截面积的极值，可能是通道的最大截面处或最小 截面处。 假设管道为扩张型管道时，气流在最大截面处达到音速，若在气流达到最大截 面前为超音速流动，由前面的分析，气流速度随着截面积的增大而越来越大，到最 大截面处达到最大值，气体流速不会在最大截面处等于音速；若气体流速在到达最 大截面前为亚音速流动，气流速度随着截面积的增大而减小，这样在最大截面处也 不可能达到音速。因此，假设不成立，气流不可能在最大截面处达到音速。 假设管道为收缩型管道时，气流在最小截面处达到音速。当气流在到达最小截 面处为亚音速流动，则随着面积的减小，流速增大，在最小截面处，流速达到最大 值，在一定的条件下，该最大值可以达到音速。当在气流达到最小截面前为超音速 流动，则随着截面积减小，流速减小，在最下截面处减到最小值，这个最小值也可 能是音速。 浙江大学硕士学位论文 综上分析，音速流只可能出现在最小截面处。 圈2 - 2 藏压扎敬处气体沉动分析图 i g 5 4 1 气体从储气钢瓶喷出，流经集流管到减压孔板，再经管道喷放到各防护 区。在经减压孔板喷出这一过程中，可以看作是各钢瓶和集流管组成一个大的高压 容器( 如图2 - 2 ) ，从减压孔板这一开口向外喷放气体。把减压孔板下游的压力只称 为背压，只称为截面压力。孔板所在截面处的截面积最小，集流管中气体流速很小， 可以把减压孔板上游的气体流动看作亚音速流动，由前面分析，孔板所在截面处的 气流m a c h 数最大。随着集流管中的压力昂与背压忍之比不断增加，孔板所在截面 处的气体流速不断增加，m a c h 数胁增加，直到考= ( 书去时，孔板所在截面处 的气流m a c h 数胁= l 时，再提高蒡的值，胁也只能等于1 而不再继续增加。所 以当分( t k + 1 ) 吉时，总有毒= ( 丁k + 1 ) 占。 p上 基于以上分析，当夤( i t i ) “1 p 1 、p 2 分别为孔板前后压力，如图2 - 3 所示) ， 则气流在孔板处将达到临界速度( 音速) ，此时的气体的流动状态为临界状态。通过 孔板处的流量q 可以用式( 2 2 7 ) 来计算： q = 矿彳一( 2 2 7 ) 式中，c 一当地声速( 1 n s ) ，c = 4 k r t ； a 一孔口面积( 聊2 ) ； 浙江大学硕士学位论文 p 一| 晦界密度( 纠) ，= 筹； ，一临界气体压力m p a ) ，= ( i 鲁) 西昂； r 一临界温度( k ) ，= ( i 2 万) 写- 其中，昂、岛、瓦分别表示滞止压力，滞止密度，滞止温度。前面已有论述， 对于i g 5 4 1 气体k = 14 5 所以 o = a = o 6 9 4 2 a 百瓦 ( 2 - 2 8 ) i g 5 4 1 气体同时从所有储存钢瓶中喷出到集流管，在经减压孔板流向管网的主 干管道，如图2 3 所示： 图2 - 3i g 5 4 1 管网系统简化图 可以将储气瓶和集流管看成一个容器，则孔板前的压力p 1 可以看成孔板处的 滞止压力昂。由前面的分析，在储气瓶喷放9 0 的灭火剂这期间，由于储气瓶里的 气体压力很高，可以认为，气体将始终以声速流过减压孔板，即始终处于临界状态。 q * = 0 6 9 4 2 - a p x 而 p d t 式中，m 灭火剂总质量( b ) ； t 一喷放时间( s ) ： 浙江大学硕士学位论文 述。 d 材2 饥( 瓶+ 漉管) 纠= ( 瓶+ 漉管) d p r 2 3 0 ) 式中，n 一储气瓶个数： 瓶一储气瓶总容积( 研3 ) ： 漉蕾一集流管及软管的总容积( 舻) ： 尸，p - ：r e 板前的实时压力和密度。 将式( 2 - 2 9 ) 代入式( 2 3 0 ) ，积分： 一：竺：竖壅垡丝! r d p “0 6 9 4 2 “肋f 2 3 1 ) 式中，一储气瓶喷完9 0 的灭火剂的时间，这个时间的确定将在2 2 8 中论 岛。一储气瓶喷完9 0 的灭火剂后，储气瓶和集流管中剩余气体的密度。 岛一储气瓶和集流管中的初始密度； i g 5 4 1 气体唢放速度比较伏，气体采小及与管遭进行热交换，一股认为，这一 过程为绝热过程： 彩2 胁( 2 - 3 2 1 所以， 4 ：竺：竖塑堡堕笪! r ；丝 “o 6 9 4 2 c d 瑚f 矿”( 2 删 由e 式就可以求出孔1 7 1 面积，进而求出减压孔板的开口孔径。 2 24 管径的设计计算 气体在管道内的流动分为层流和紊流。两种流动状态的阻力损失计算公式是不 一样的，主要是沿程水力摩阻系数厂的不同。水力摩阻系数厂是流体流动雷诺数r ， 管道粗糙度a ，管径d 的函数2 8 】： 厂= 厂( 如a d ) ( 2 3 4 ) 2 1 浙江大学硕士学位论文 从莫迪图1 3 ”中可以看出，当流体流动雷诺数r 从小到大变化时，它可能分别 处于三种状态：水力光滑状态( 层流状态) 厂= 厂( r ) 、层流向紊流过渡状态 厂= 厂( r ，d ) 和完全紊流状态厂= ( d ) 。 对于过渡状态下水力摩阻系数厂是也，d 的复杂函数。因此要确保l g 5 4 1 气体的流动的雷诺数足够大( 通常要大于i 1 0 5 ) ，使管道的气体流动状态一直处 于完全紊流状态，这时计算管道的水力摩阻系数厂可以用统一的经验公式【3 3 】： ，一j 【_ 一 。( 4 。- g 铲任， p p v d 一4 q 流体流动雷诺数 万d 。( q 为质量流量k g s ) ，对于一定质量流 量的i g 5 4 1 气体管道，雷诺数的大小取决于管道直径。管道直径d 越大，雷诺癜就 越小。 在选择管径时，应保证管道中的流态自始至终都处于紊流状态，这就要求管道 的管径不能取得太大。 i g 5 4 1 气体在管道内的流动可以看作为可压缩流体等截面有摩擦一维非定常流 动。由连续性方程： 鱼旦+ 尘：o f 2 3 6 ) 运动方程1 3 2 j ： 岫+ 警+ 等等一陋s ，pu z 绝热情况下，能量方程式为1 3 2 1 ： d ( 厅+ 譬) = 。，即c ，d r + 附y = 。c z - ，s ， 状态方程可写成： d p = 月( 冈丁+ t d p ) f 2 3 9 ) 联立以上四个方程( 2 - 3 6 ) ，( 2 - 3 7 ) ，( 2 3 8 ) ，( 2 - 3 9 ) 得： 浙江大学硕士学位论文 a _ u e o 倒- 1 ) _ - 丝型( 2 - 4 0 ) 由式( 2 - 4 0 ) 可以看出： m a l ( 超音速流动) 时，沿流动方向气流速度逐渐减小； m a = l ，除d = o 外，等式不能成立。说明在管道内部不可能出现临界状态， 它只可能在管道出1 2 1 达到。 可见，摩擦作用只能使亚音速气流加速，但不可能变为超音速流动。最大流速 出现在管道出1 3 ，且最大为音速。 对于给定入口气体流量的管道( 气体流动处于亚音速状态) ，随着管长的增加， 马赫数m a 不断增加，总会有一个长度使m a 增加到l ，此管长记为l m a x 。管长达到 最大值时，管道出e l 处开始发生声速阻塞。当管长l l 时，附加的这部分管长 ( 一i 一) 所产生的摩擦阻塞作用必将使原来所能通过的最大质量流量下降。最大 管长的计算公式为： 一2甏掣ind 2 k 誊k 笺l p 4 1 ， m ：。一。，2 、 、7 由此，可以得出这样的结论，入口的流速u 越小，即马赫数m a 越小，最大管 长l 一越大。 在进行i g 5 4 1 灭火系统管网的设计计算时，通常各管道的长度根据工程的实际 来确定，各管道的质量流量也是根据各喷嘴的需要喷出的灭火剂量和喷射时间来逐 一确定的。因此要保证i g 5 4 1 气体以确定的流量流过确定的管长，不发生因管长带 来的摩擦阻塞，就必须通过对管道管径d 的调解来对入1 3 流速u ( 即马赫数m a ) 进行控制，使实际管长小于最大管长，眦。在气体流量一定的情况下，管径d 越大， 流速d 越小，马赫数m a 越小，所允许的最大管长一越大，反之，管径d 越小， 所允许的最大管长越小。 浙江大学硕士学位论文 综上所述，在对i g 5 4 1 灭火系统管网中各管道管径进行设计时，应确保两个条 件： ( 1 ) 各管道中气体流动状态一直处于完全紊流状态； ( 2 ) 各管道长度l 小于最大管长l 眦。 所以，各管道的管径既不能太大也不能太小。在对管道管径进行设计计算时， 选用国家标准气体灭火系统设计规范上的计算公式： d = 2 4 3 6 4 q ( 2 - 4 2 ) d 管道内径( n u n ) ； q 一管道的平均设计流量( k g s ) 。 这个公式只是管径计算的估算公式，在实际的设计计算过程中还需对管道内气 流的雷诺数以及公式( 2 - 4 1 ) 进行校核，使之满足以上的两个条件。 2 2 5 管网压力损失的计算 ( 1 ) 气体流过管道压力损失计算公式的推导 由于i g 5 4 1 气体在管道里流速比较高，喷放时间比较短，因此，将高压气体在 每根管道中的流动看作是可压缩气体等截面绝热有摩擦的一元流动，来计算管道的 压力损失。 1 己 p 1 p 厂 p + d p p 2 用 p i p + d p 垃 t 1t ! ! t + d t - + u l ui iu + d u t 2 l _ | u 2 l 。 4 d , i -2 圈2 - 4 臂遭压力损失计算示意图 由气体一元流动伯努利方程，不考虑气体的位能变化1 2 7 5 2 】： 丝+ a v + a w , ：o 2 p ( 2 - 4 3 ) u ：卫 式中，d 一气体的流速( m ，s ) ，石p d 2 ； 浙江大学硕士学位论文 d 一摩擦水头损失，d 巧= ，罟譬。 式中，d - - 管道内径( m ) ， f 一沿程水力摩阻系数， = ( 1 1 4 2 l g 会) 2 ，为管道粗糙度，对于热镀锌管， 取o 1 ，不同流速的气体，雷诺数不同，则_ ，的计算公式也不同，为了使管网水力 计算时，使用统一的公式计算，必须确保管道内的气体始终处于完全紊流状态，合 理的设计管道内径能达到这一要求。 通过以上分析，可以得出管道压力损失计算公式， 軎口q 2 e 分p + d 5 譬缈+ 吾于莎三- i | 犯删 在计算过程中，管道流量q 、管径d 、管道长度l 、沿程摩阻系数f 可以确定， 根据绝热过程的热力学方程： 旦：墨 群硝( 2 - 4 5 ) 管道初始端的状态，置，一是已知的，将式( 2 4 4 ) 代入式( 2 4 5 ) ，就可以将式( 2 4 4 ) 转换成一元非线性方程，通过编程用迭代法求解出管道结束端的压力最和密度岛。 ( 2 ) 管网气流压力损失的计算 管网的压力损失计算是整个设计计算的基础。通常管网的布置由工程现场决 定，将管网中i g 5 4 1 气体流量发生变化或压力发生很大变化的节点标上编号，如图 2 - 5 所示，离孔板最远的一个储气钢瓶出口处设节点编号l 。管道中各弯头、三通管、 气体控制阀等配件的压力损失计算都等效为当量直管长度损失。 浙江大学硕士学位论文 图2 - 5i g 5 4 1 臂网系统不惹圈 则在计算管网压力损失时，管段l 一2 ，2 - - 3 ，3 - - 4 ，6 - - 7 ，8 - - 9 ，9 - - 3 0 1 等 都可以等效为直管压力损失。 假设各保护空间需要的灭火剂量( 肘r ) 一( f 为保护空间的编号) ，保护空间布置 的喷嘴个数为n ，则每个喷嘴设计的喷放气体的量为( m 一“) ，= ( m j ) ，行( j 为喷嘴 的编号) 每个支管设计的流过的气体质量为m 叫+ ，= ( ，。) ( “管道”的前后 节点编号i i + l 代表管网中的某一“管道”) ，m 为该管道下游喷嘴的数目，总的设 计喷放灭火剂量为m 。 对于某一时间步长，内，先计算出钢瓶的出口气体压力昂，然后计算出系统 主干管道的流量q 主，对减压孔板前的各管道进行压力损失计算，计算出孔板前的压 力日，根据2 2 3 节中对减压孔板减压特性的研究，孔板截面处的压力昱= 艿丑，如 图2 6 ： 浙江大学硕士学位论文 图2 - 6 减压孔板处简化示意图 由能