消火栓喷头及自喷系统喷头的水力计算.doc

消火栓喷头及自喷系统喷头的水力计算谢佩珍，刘耀荣(福州大学土木建筑工程学院，福建福州350002)摘要：归纳了消火栓喷头、开式、闭式和水幕喷头4种消防器材的流量计算公式，并提出了统一的计算公式。对射流在喷嘴和空气中的水头损失和充实水柱所需水压的计算提出了更为简便的方法。关键词：喷头；流量系数；充实水柱；水头损失中图分类号：TU882文献标识码：C文章编号：1000-4602(2002)02-0056-041计算公式及系数的选用1.1计算公式表1列出了4种喷头计算公式的表达式、相应系数的量纲、单位和数值。表1喷头流量公式、量纲、单位及系数单位名称表达式特性系数量纲(K或B)值d(mm)H或P的单位K或B值消火栓喷头Q=（BH）1/21BL5. 0T-21.013.016.0m0.3460.793消火栓喷头Q=（BH）1/21BL5. 0T-21.013.016.0m0.3460.793消火栓喷头Q=（BH）1/21BL5. 0T-11.013.016.0kPa0.03460.0793闭式喷头q=k(P)1/22KL2.5T-11.011.0m0.42闭式喷头q=k(P)1/23KL4F-0.5T-11.011.00.1MPa1.33闭式喷头q=k(P)1/24KL3.5F-0.51.011.012.7kPa0.1350.138开式喷头q=F(2gH)1/2=K(H)1/24KL2.5F-1.00.7010.012.7m0.2430.392开式喷头q=K(H)1/23KL2.5F-0.50.7010.012.7kPa0.07760.125水幕喷头q=(BH)1/33KL5.0F-10.9940.95210.012.7kPa0.0110.029水幕喷头q=K(P)1/22KL2.5T-10.63710.0m0.2215水幕喷头q=(BH)1/24KL5.0T-20.9510.012.7m0.10820.286由表1可以看出，在使用中存在计算公式不统一、流量系数差异大等问题。喷头流量计算公式是按能量方程推导圆柱形外管嘴求得。q=F(2gH)1/2=F（2gH)1/2=（/4）（d2/1000)(2gH)1/2 (1)式中F管嘴出口面积，m2H管嘴中心作用水头，(m或kPa)q喷头流量，L/s由试验得知，对于消防用圆锥形收敛管嘴，当收敛角=1324、断面收缩系数=0.98时,流速系数=0.96，流量系数()达到最大值0.945。1.2公式的统一由于喷头压力使用单位不同，公式的表达式不同，使特性系数K、B的量纲、数值混乱，使用不便，实际上式(1)可以规纳为以下2种类型：q=K(P)1/2=0.003477d2 (P)1/2 (2a)或 q=K(P)1/2=0.001110d2(P)1/2 (2b)q=K(BH)1/2=0.003477d2(H)1/2 (3a)或 q=(BH)1/2=0.001110d2(H)1/2 (3b)式中q喷头流量，L/s流量系数d喷口直径，mmP或H喷头压力，以m表示时按式(2a)、(3a)计算；以kPa表示时则按式(2b)、(3b)计算，K=B。表1中P的单位为kg/cm2(0.1MPa)时g=981cm/s2，K=0.011d2, 这样就统一了4种喷头的流量计算公式。1.3流量系数的选用从表1可以看出，各式中值相差很大(值大小反映了喷口水流和射流在喷嘴壁、空气中的阻力以及出口断面的收缩情况)。即使在最理想的情况下(即圆锥形管嘴收敛角为13 24)，的最大值也才达到0.94,因此值的误差()至少为+6.4%(何况喷头溅水盘至配水支管垂直距离往往长达300mm，该段沿程和局部阻力损失在管道水头损失计算中并未考虑)，因此值不可能为1.0；小孔口的流量系数为0.62，而表1中=0.637接近此值，表明管嘴提高流量的优势在此未能反映，且该值又偏小。如从最不利喷头起依次计算后续喷头流量q及管道流量Q，则将严重影响喷水强度，从而降低灭火效果。在配水支、干管内流速较大，水流处于阻力平方区，管道水头损失和流速平方成比例，从中可以看出流量q、Q的大小对水泵供水能力、扬程的影响，因此有必要对喷口的值进行进一步的论证，建议根据不同的喷口类型，提供相应的值。2水力参数消防设计中对最不利点消火栓栓口所需流量和喷射压力往往需要进行试算，即先假设水枪喷嘴直径d和充实水柱长度Sk(或Hm)，然后通过反复试算求得实际的q、hg和hs，这给设计带来不便。现推荐以下方法，即按实际需要选定d和按规范确定Sk，查表就可直接得到满足规范要求的水枪喷射流量q(5L/s)和充实水柱所需压力hg、hs，如图1所示。水枪喷嘴造成一定长度的充实水柱所需水压hg为：hg=2/2g2 (4)式中v喷嘴出口流速而水枪的实际射流长度S应为：S=hg-hs (5)射流高度损失:hs=K1Sv2d2g (6)将式(4)、(6)代入式(5)，可得：hg=S/1-2K1(S/d) (7)令 =2K1（1/d）则 hg=S/1-S (8)式中K1阻力系数与喷嘴阻力、空气阻力、喷嘴直径有关的系数当流速系数=1.0时， =0.25/d+(0.1d)3(9)水枪充实水柱长度Sk与实际射流长度S的关系为：S=fSk(10)则hg=S1-S=fSk1-fSk(11)式中f试验系数，经试验f=1.19+80(0.01Sk)4(12)已知d、，按式(3a)及式(9)即可列出表2，求得B、。表2喷嘴特性系数B和喷嘴直径系数值表喷嘴直径(mm)9316192225B0.0790.3460.7931.5772.8344.7270.02570.01650.01240.00970.00840.0062已知Sk,按式(12)可求得f、由式(10)可求S、由式(11)可求hg,按q=(Bhg)1/2,从而获得喷嘴流量q,见表3。从表3可以归纳出：喷嘴直径愈小、喷出流量亦愈小，水枪喷嘴所需水压要求就愈大。要满足q5L/s，则充实水柱Sk愈小时，要求d愈大。例如Sk=6m时,d=25mm；当Sk=711m时,d=22mm；当Sk=1217m时,d=19mm。当喷嘴直径相同、实际射流长度和喷嘴流量值较小时，射流在水枪喷嘴和空气中的水头损失hs值较小；实际射流长度不变，喷嘴直径增大，hs降低；此外hs变幅值较大，当Sk=68m、d=22mm、q=4.65.4 L/s时,hs=0.460.83m；当Sk=911m、d=19或22mm、q=4.46.5 L/s时，hs=1.251.94 m；当Sk=1214m、d=19mm、q=5.25.7 L/s时,hs=2.43.4m；当Sk=1517m、d=16或19mm、q=4.46.6L/s时,hs=4.07.7m，因此实际采用hs时应慎重选择。表3hg和q值表d(mm)Sk=6 m，f=1.191，S=7.146Sk=7 m，f=1.192，S=8.344Sk=8 m， f=1.193，S=9.544hg(m)q(L/s)hs(m)hg(m)q(L/s)hs(m)hg(m)q(L/s)hs(m)s8.7540.8321.60810.6220.9162.27812.6461.0003.102138.1011.6740.9559.6761.8301.33211.3281.9801.784167.8402.4930.6949.3072.7170.96310.8252.9301.281197.6783.4830.5329.0793.7870.73510.5184.0770.974227.6024.6420.4568.9735.0430.62910.3765.4230.832257.4775.9450.3318.7996.4490.45510.1446.9250.600d(mm)Sk=9 m，f=1.195，S=10.757Sk=10 m，f=1.198，S=11.980Sk=11 m，f=1.202，S=13.219hg(m)q(L/s)hs(m)hg(m)q(L/s)hs(m)hg(m)q(L/s)hs(m)914.8671.0844.11017.3091.1695.32920.0201.2586.8011313.0782.1272.32114.9322.2732.95216.9072.4193.6821612.4133.1371.65614.0703.3402.09015.8113.5412.5921912.0104.3561.25313.5554.6281.57515.1634.8951.9442211.8265.7891.06913.3206.1441.34014.8706.4921.6512511.5527.3900.79512.9417.8210.93114.3998.2501.180d(mm)Sk=12 m，f=1.207，S= 14.479Sk=13 m，f=1.213，S=15.767Sk=14 m，f=1.221，S=17.090hg(m)q(L/s)hs(m)hg(m)q(L/s)hs(m)hg(m)q(L/s)hs(m)923.0601.3508.58126.5091.44710.74230.4751.55213.3851319.0242.5664.54521.3112.7155.54423.8022.8706.7121617.6473.7413.16819.5993.9423.83221.6864.1474.7781916.8455.1592.36618.6145.4232.84720.4865.6893.3962216.4846.6352.00518.1747.1772.40719.9557.5202.8652515.9078.6691.42817.4759.0891.70819.1159.5062.025d(mm)Sk=15 m，f=1.231，S= 18.458Sk=16 m，f=1.242，S=19.879Sk=17 m，f=1.257，S=21.366hg(m)q(L/s)hs(m)hg(m)q(L/s)hs(m)hg(m)q(L/s)hs(m)933.2131.62014.75540.6431.79220.76447.3861.93526.0201326.5413.0318.08329.5823.1999.70333.0003.37911.6341623.9374.3575.47926.3824.5746.50329.0674.8017.7011922.4845.9604.02624.6286.2384.74926.9526.5265.5862221.8457.8683.38723.8648.2243.98526.0398.5904.6732520.8439.9262.38522.67410.3532.79524.62910.7903.2633 消火栓栓口所需水压文献3提出的消火栓栓口所需水压Hxh为：Hxh=hd+hg+hs1=hd+S+hs+hs1(13)式中Hxh消火栓栓口处所需水压，kPahd水龙带的水头损失，kPahg水枪喷嘴造成一定长度的充实水柱所需水压，kPa，hg=S+hshs1消火栓口水头损失，kPa,建议hs1采用20 kPa选定d和按规范确定Sk