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消防水力学基本知识 重庆消防总队重保处邹俊 第一节水的性质 第二节水的灭火作用 第三节消防射流 第四节消防水力学基本知识习题 学习提纲 第一节水的性质 水是无嗅无味的液体 是人类赖以生存的基本物质 它取用方便 分布广泛 同时由于水在化学上呈中性 无毒 且冷却效果非常好 因此水是最常用的灭火剂 一 水的基本特性水有三种状态 固体 液体和气体 液体与固体的主要区别是液体容易流动 液体与气体的主要区别是液体体积不易压缩 水在常温下为液体 在常压下 水温超过100 时 凝结成固体称为冰 一 水的比热容水温升高1 时 单位体积的水需要吸收的热量 称为比热容 若将水的比热作为1 则其他液体的比热容均小于1 水比任何液体的比热容都大 1L的水温升高1 需要吸收4200J的热量 若将1L常温的水 20 喷洒到火源处 使水温升高到100 则要吸收热量336KJ 水的比热容大 因而用水灭火 冷却效果最好 二 水的汽化热单位体积的水由液体变成气体需要吸收的热量称为汽化热 水的汽化热很大 1L100 变成100 的水蒸气 需要吸收吸收2264KJ的热量 因此 将水喷洒到火源处 使水迅速汽化成蒸汽 具有良好的冷却降温作用 同时 水变成蒸汽时体积扩大 1L水变成水蒸气后体积扩大1725倍 且水蒸气是惰性气体 占据燃烧区空间 具有隔绝空气的窒息灭火作用 试验得知 水蒸气占燃烧区的体积达35 时 火焰就将熄灭 三 水的冰点纯净的水温度下降到0 时 开始凝结成冰 水结成冰时 释放出溶解热335KJ L 水结成冰 由液体状态变成固体状态 水分子间距离增大 因而体积随之扩大 因此 对消防给水管道和储水容器在冬季进行保温 防止结冰 以免水结成冰时体积扩大 致使消防设备损坏 处于流动状态的水不易结冰 因为水的部分动能转化为热能 因此 为了不使水带内结冰 在冬季火场上 当消防队员需要转移阵地时 不要关闭水枪 若需要关闭时 应关小射流 使水仍处于流动状态 第一节水的性质 第一节水的性质 二 水的主要物理性质水的平衡和运动 除了与作用于液体的外界因素有关外 更重要的是取决于水本身的物理性质 在水力学中 与水运动有关的物理性质主要有以下方面 一 密度和容重液体单位体积内所具有的质量称为密度 液体单位体积内所具有的重量为容重 不同液体的密度和容重各不相同 同一种液体的密度和容重又随温度和压强而变化 在正常大气压强条件下 水在不同温度时的容重见表4 1 表4 1水在不同温度时的容重 第一节水的性质 二 粘滞性液体具有流动性 在相对静止时 液体不能抵制抗切力 在微小切力的作用下 将破坏原来的相对静止状态 产生无限止的变形 即发生流动 当液体一旦流动时 分子间的作用力却立即显示为流动的抗阻作用 即显示处所谓的粘滞性阻力 内摩擦阻力 液体的这种阻抗变形运动的特性就称为粘滞性 也叫 内摩阻 需要说明的是当液体运动一旦停止 这种阻力就立即消失 因此 粘滞性在液体静止或平衡时是不显示作用的 液体运动时的粘滞阻力只能使液体的变形即流动缓慢下来 但不能阻止静止液体任何时候微小的切向力作用下开始流动 三 压缩性在密闭容器内液体表面上 用活塞加压 液体就受到压力 受压后的液体体积要缩小 液体的体积随压力增加而减小的性质称为液体的压缩性 液体的特点是压缩性很小 根据试验 把温度为20 在0 1MPa压力作用下的水体积为1 不同压力时的水体积如表4 2 表4 2温度为20 不同压力时的水体积 第一节水的性质 从表中可以看出 水体积变化不大 因此 在一般计算中 通常把水看成是不可压缩的液体 即认为水的密度P和容重y为一常数 但个别特殊情况 液体的压缩性不能忽略 如水枪上的开关突然关闭时 会产生一种水击现象 在研究这个问题时 就必须考虑液体的压缩性 四 膨胀性水的体积随水温升高而增大的性质为水的膨胀性 根据试验 10 20 的水在常压下 水温升高1 体积增加万分之一点五 其体积变化较小 五 溶解性溶质在水中的扩散称为溶解 物质能否在水中溶解 与物质分子的极性有关 凡是由极性分子或者水分子结构相似的分子组成的物质均易溶于水 如食盐 糖 丙酮 乙醚 乙醇等 与水分子极性不同的物质不易溶于水或者不溶于水 如 汽油 煤油 柴油 苯等 用水可以扑灭易溶于水的固体物质火灾 用水可以扑救比水重且不溶于水的可燃液体 也可以稀释溶于水的可燃液体 六 水的导电性水的导电性能与水的密度 射流形式等有关 水中含有杂质越多 电阻率越小 导电性能越大 纯净水电阻率很大 为不良导体 天然水源一般都含有各种杂质 因而被称为良性导体 第一节水的性质 三 水的化学成分 一 水的分解水由氢 氧两种元素组成 火场上的消防水柱射流触及高温设备 水滴瞬间汽化 体积突然扩大 会造成物理性爆炸事故 当水蒸气温度继续上升超过1500 以上 水蒸气将迅速分解为氢气和氧气2H2O高温2H2 O2 热量氢气为可燃气体 氧气为助燃气体 氧气为阻燃剂 氢气和氧气相互混合 形成混合气体 在高温下极易发生化学性爆炸 其爆炸威力大 若无可靠的防范措施 就会造成火灾爆炸事故 二 水的化学反应水能与许多物质起化学反应 1 水与活泼金属反应水与活泼金属锂 钾 钠 锶 钾钠合金等接触 将发生强烈反应 2Na 2H2O高温2NaOH H2 热量这些活泼金属与水化合时 夺取水中的氧原子 放出氢气和大量热量 使释放出来的氢气与空气中的氧气相混合形成的爆炸性混合物 发生自然或爆燃 2 水与金属粉末反应水与锌粉 镁铝粉相互混合的镁铝粉与水接触 比水单独与镁粉或铝粉接触反应强烈得多 Mg OH 2 2Al OH 3 Mg AlO2 2 4H2O2Al 6H2O 2Al OH 3 3H2 热量3 水与金属氢氧化物反应水与氢化锂 氢化钠 四氢化锂铝 氢化钙 氢化铝等金属氢化物接触 氢化物中的金属原子与水中的氧原子结合 则氢化物和水的氢原子放出 产生大量的氢气 也会助长火势 4 水与硅金属化合反应水与硅化镁 硅化铁等接触 会释放出自然物四氢化硅 MgSi 4H2O 2Mg OH 2 SiH4四氢化硅易与空气中的氧反应 发生自然5 水与碳金属反应水与碳化钙 碳化钾 碳化铝等物质接触时 碳化物中的金属原子与水中的氧原子结合 碳化物中的碳原子与水中的氢原子化合 发生易燃易爆的碳氢化合物气体 并释放出大量热量 CaC2 2H2O Ca OH 2 C2H2 热量 第一节水的性质 第一节水的性质 6 水与硼氢类物质化学反应水与二硼烷 硼氢化钠等接触 释放出氢气和大量的热量 B2H6 HO 2H3BO3 6H2 热量7 水与磷化物发生反应水与磷化钙 磷化锌等接触 生成磷化氢 磷化氢在空气中能自然 由此可见 水与某些化学物质接触 有可能发生自燃 释放出可燃气体和大量以及有毒气体 从而引起燃烧或爆炸 因此 火场扑救过程中 应根据物质的性质 采取相应的灭火剂 凡是能与水接触能引起化学反应的物质严禁用水扑救 第二节水的灭火作用 根据水的性质 水的灭火作用主要有以下几种 一 冷却作用由于水的比热容大 汽化热高 而且水具有良好的导热性 因而 当水与燃烧物质接触或流经燃烧区时 将被加热或汽化 吸收热量 从而使燃烧区温度大大降低 以致使燃烧中止 二 窒息作用水的汽化将在燃烧区产生大量水蒸气占据燃烧区 可阻止新鲜空气进入燃烧区 降低燃烧区氧的浓度 使可燃物得不到氧的补充 导致燃烧强度减弱直至中止 三 稀释作用水本身是一种良好的溶剂 可以溶解水溶性甲 乙 丙类液体 如醇 醛 醚 酮 酯等 因此 当此类物质起火后 如果容器的容量允许或可燃物料流散 可以水予以稀释 由于可燃物浓度降低而导致可燃蒸汽量减少 使燃烧减弱 当可燃液体的浓度降到可燃浓度以下时 燃烧即行中止 第二节水的灭火作用 四 分离作用经灭火器具 尤其是直流水枪 喷射形成的水流具有很大的冲击力 这样的水流遇到燃烧物时 将使火焰产生分离 这种分离作用一方面使火焰 端部 得不到可燃蒸汽的补充 另一方面使火焰 根部 失去维持燃烧所需的热量 使燃烧中止 五 乳化作用非水溶性可燃液体的初起火灾 在末形成热波之前 以较强的水雾射流或滴状射流灭火 可在液体表面形成 油包水 型乳液 乳液的稳定程度随可燃液体粘度的增加而增加 重质油品甚至可以形成含水油泡沫 水的乳化作用可使液体表面受到冷却 使可燃蒸气产生的速度降低 致使燃烧中止 第三节消防射流 一 消防射流 一 消防射流的含义消防射流是指灭火时由射水器具喷射出来的高速水流 二 消防射流的类型常见的射流类型有密集射流和分散射流两种 1 密集射流 1 密集射流的定义高压水流经过直流水枪喷出 形成结实的射流称为密集射流 密集射流靠近水枪口处的射流密集而不散 离水枪口较远处射流逐渐分散 密集射流耗水量更大 射程远 冲击力大 机械破坏力强 2 密集射流适用范围建 构 筑物室内消火栓给水系统中配备的直流水枪和消防车上使用的直流水枪 都是密集射流扑救火灾 第三节消防射流 2 分散射流高压水流经过离心作用 机械撞击或机械强化作用使水流分散成点滴状态离开水枪 形成扩散或幕状射流称为分散射流 分散射流根据其水滴粒径大小又分为喷雾射流和开花射流两种类型 1 喷雾射流分散射流时 水滴粒径平均小于100um时 称为喷雾水射流 喷雾射流的特点是控制面积大 用水量省 燃烧区蒸汽浓度大 吸收大量汽化热 隔绝空气 降低空气中含氧量 有良好的降温和窒息作用 同时 水渍损失小 出烟效果好 喷雾射流适用于石油化工企业水幕分隔装置的扑救等 2 开花射流分散射流时 水滴直径平均在100 1000um之间 称为开花射流 开花射流的特点同喷雾射流 其适用于要求水渍损失小或缺水地区 第三节消防射流 二 消防射水器消防射水器具是把水需要的形状有效的喷射到燃烧物上的灭火器具 包括消防水枪和消防水炮 一 消防水枪消防水枪根据射流形式和特征不同可分为直流水枪 喷雾水枪 多功能水枪等 其中常用水枪为直流水枪和喷雾水枪 1 直流水枪 1 直流水枪的分类和构造直流水枪分为普通直流水枪和开关式直流水枪 直流水枪是由枪筒和喷嘴所组成 直流水枪密集射流的质量与水枪喷嘴有密切关系 直流水枪喷嘴一般采用具有向出口断面方向收敛的圆锥体状喷嘴 圆锥形喷嘴主要用途为增加水流的出口速度以形成动能较大的射流 并使射流不分散 枪筒的构造要求有良好的水力条件 为减少从水带的水流涡流 迫使枪筒内安装稳流器 使水流流过的截面积较小的孔洞 消除横向水流和旋转水流 迫使枪筒内呈匀流状态 以提高枪筒结构的水力条件 第三节消防射流 常用的直流水枪喷嘴口径有13mm 16mm 19mm三种 2 直流水枪的使用使用直流水枪灭火时 由于水枪射流产生反作用力 因此 如变更射流方向时应缓慢操作 使用开关式直流水枪时 开关动作应缓慢进行 以免产生水击现象 造成水带爆破或者影响消防员安全 2 喷雾水枪 1 喷雾水枪的分类和用途喷雾水枪分为离心式喷雾水枪 机械撞击式喷雾水枪和簧片式喷雾水枪三种 喷雾水枪是一种喷射雾状水流的消防水枪 用于扑救带电设备火灾 可燃粉尘火灾及部分可燃液体火灾等 2 喷雾水枪的使用使用喷雾水枪灭火时 应注意喷雾角 射流方向和喷雾射流类型的选择 第三节消防射流 3 多功能水枪多功能水枪既可喷射密集射流 又可喷射雾状射流 有的还可以喷射水幕 而且几种射流可以相互转换 组合使用 对火场需要适应性好 多功能水枪最好不要用于扑救带电设备火灾 以免因误操作造成伤害 4 脉冲水枪脉冲水枪是一种新型水枪 其自带水源和压缩空气源 水渍损失小 用水量省 灭火效率高 可以喷射超细水雾 适用于扑灭建筑内初起火灾 小型油品火灾和汽车火灾 二 消防水池消防水炮按操纵形式可分为手动操纵和远距离自动操纵水炮 按安装方式可以分为固定式 车载式和移动式水炮 第三节消防射流 常见的消防水炮口径有25mm 28mm 30mm 32mm 使消防队员难以接近火源实施射水 或遇大风消防水枪射流会被冲散 在这些情况下 需要采用高压大流量 射水有效射程远的消防水炮进行灭火 使消防队员难以接近火源实施射水 或遇大风消防水枪射流会被冲散 消防水池的特点是射程远 水量大 当发生大规模火灾时 由于会产生强烈的热辐射和浓烟 并且存在着建筑物坍塌等危险 第四节消防水力学基本知识习题 一 简答题1 简述水的基本特性 2 水的主要物理性质有哪些 3 水的化学性质有哪些 4 消防射流的定义和类型 消防射水器具主要有哪些 二 判断题1 液体单位体积内所具有的质量称为容重 2 单位体积的水 温度升高1 时需要吸收的热量 称为水的比热容 水比任何液体的比热都大 用水灭火 冷却效果最好 3 单位体积的水由液体变成气体需要吸收的热量称为汽化热 水的汽化热很大 具有良好的冷却降温作用 4 水结成冰 由液体状态变成固体状态 水分子间的距离减小 因而体积随之减小 5 处于流动的水不易结冰 因为水的部分动能转化为热能 因此 为了不使水带内的的水冻结成冰 使水处于流动状态 第四节消防水力学基本知识习题 6 物质能否在水中溶解 与物质分子的极性有关 同水分子极性不同的物质易溶于水 与水分子极性相似的物质不易溶于水或不溶于水 7 水的三种状态 固体 液体和气体 液体与固体的主要区别是液体容易流动 液体与气体的主要区别是液体体积不易压缩 8 水取用方便 分布广泛 同时由于水在化学上呈中性 无毒 且冷却效果非常好 因此 它是最常用 最主要的灭火剂 三 选择题1 液态水具有易流动性和粘滞性 关于二者的相互关系 下列说法不正确的是 A 粘滞性在液体静止或平衡时是不显示作用的B 粘滞阻力不能阻止静止液体在切向力的作用下开始流动C 液体运动时的粘滞阻力能够使液体的流动缓慢下来D 液体运动的粘滞阻力能够使液体的流动加快起来 第四节消防水力学基本知识习题 2 液体水具有压缩性和膨胀性 通常状态下 二者的特性为 A 压缩性小 膨胀性小B 压缩性小 膨胀性大C 压缩性大 膨胀性小D 压缩性大 膨胀性大3 水的导电性能与水的密度 设流量形式等有关 下列说法正确的是 A