典型喷头响应时间工程计算模型研究

1、典型喷头响应时间工程计算模型研究2021年12月第25卷第12期武警学院学报JOURNALOFCHINESEPEOPLESARMEDPOLICEFORCEACADEMYDec.20o9V01.25No.12消防理论典型喷头响应时间工程计算模型研究陈颖(武警学院消防工程系,河北廊坊065000)摘要:利用DETACT12软件,计算了启动温度为68C的喷头在不同火源增长速率,不同喷头安装高度,不同环境温度,不同反响时间常数和距火源不同距离等条件下喷头的启动时间.并且拟舍得到喷头启动时间随安装高度,火源增长速率,环境温度,反响时间常数和径向距离等相关的经验模型,并和有关的经验模型进行了比拟.通过比拟

2、不同的影响因素,说明喷头安装高度是影响喷头启动时间的最重要的因素,其次分别为火源增长速率,喷头距火源的径向距离,环境温度和反响时间常数.关键词:喷头;启动时间;DETACT12中图分类号:TU998.1;D631.6文献标识码:A文章编号:10082077(2021)120005050引言建筑火灾发生后,如果能有效抑制初起火灾,将显着减少火灾所造成的人员伤亡和财产损失.自动喷水灭火系统是一种能够有效控制建筑物初起火灾并且可以自动运行的消防设施,其灭火效率高,可靠性强,适用范围广,环境污染小,越来越多的应用于各类建筑,特别是对高层,超高层,工业,商业,仓储等建筑,其应用广泛.目前,国内外各相关建

3、筑设计防火标准中都越来越详细的规定了自动喷水灭火系统的安装和使用.洒水喷头是自动喷水灭火系统的主要组成部件,也是影响整个喷淋系统效率的关键部件.喷头的一个关键参数是热响应性能,它决定火灾发生后喷头的动作时间.火灾发生后,喷头如果启动太慢,将控制不住已经扩大的火灾;如果启动的太快,那么启动的喷头数量必然增多,将造成火灾水渍损失增大,同时会使火源附近的喷水量减少,从而影响灭火性能.另一方面,在性能化设计的火源大小设置中,往往把第一个喷头的启动时间作为选取火源大小的依据.因此,研究喷头的响应特性具有十分重要的现实意义.国内外的许多学者对喷头的响应时间进行了研究.A.K.Gupta,BukowshiR

4、W,BudnickEK等根据喷头的RTI,顶棚射流的温度和速度以及喷头的启动温度,得到喷头启动的经验公式.很多科研机构开发了不少模型预测喷头的启动,如美国NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology)开发的FPETOOL,澳大利亚CSIRO开发的FIRECALC_5J,EvansDD开发的DETACT_6等.近来,香港理工大学w.K.Chow教授和中国科技大学火灾科学国家重点实验室的张村峰博士都对喷头的响应特性进行了研究,并得到了喷头启动时间与火灾增长系数,喷头安装高度,环境温度及喷头响应时间常数之间的关系式.前人的研究虽得出了喷头动作时间的计算

5、方法,但我们看到,w.K.Chow教授模型中没有考虑喷头距火源的径向距离的影响,这样得到的启动时间比实际值偏小.张村峰博士在模型中把火灾增长系数与喷头安装高度及环境温度分别放在一起考虑,这些因素并没有一定的耦合关系,因此其模型不能正确反响各个不同因素对喷头启动时间的影响.利用DETACT12软件,从火灾中影响喷头动作收稿日期:202107一l6作者简介:陈颖(1976一),女,天津人,讲师,平安技术与工程专业在读硕士研究生.?5?武警学院学报)2021年第12期(总第163期)?消防理论?的诸多因素出发,研究了环境温度,火灾增长系数,喷头响应时间指数,喷头安装高度,喷头距火源径向距离对喷头启动

6、时间的影响,并采用遗传算法进行多参数拟合,得到了喷头启动时问的工程计算模型,并与w.K.Chow教授的模型,张村峰博士的模型进行了比拟.最后利用该模型分析了不同因素对喷头启动时间的影响大小.1喷头响应时间1.1喷头热平衡方程喷头的热平衡方程式可用下式表示J:hA(re)mchA1(1)p-gLl式中,ra为感温玻璃球的质量,kg;c.为感温玻璃球的比热,J?(kg?oC);为感温玻璃球温度,oC;h为玻璃球外表换热系数,w?(m?K)一;A为感温玻璃球外表积,m.该式两边同除以mc可得:a(re)=hA(g)mc一令:R吖=()u.0.5(2)(3):(一(4)式中,为感温玻璃球温度与环境温度

7、的温差,oC;/x为气体温度与环境温度的温差,oC;为烟气速率,m/s;尺为响应时间指数,(In?s);为时间常数,s.对式(4)积分得:=Int11_=lLl【)M通过求解上式,即可得到喷头热敏原件(玻璃球)温度随时间的变化规律.当温度到达公称动作温度时,玻璃球破裂,喷头启动.1.2喷头响应时间工程计算方法w.K.Chow教授用DETACTT2软件,模拟得到不同RTI(50600)的喷头,在不同安装高度,不同环境温度,不同火灾增长速率(慢速火,中速火,快速火,超快速火)等条件下,得到喷头启动的拟合公式:t=0.4H._+0.028RT/?+1.07一0?470.08To一5.58(6)式中,

8、t为喷头的启动时间,min;H为安装喷头的顶棚高度,in;ot为火灾增长系数;To为环境温度,.?6?张村峰博士也对喷头的响应特性进行了研究,并根据DETACTT2软件得到了喷头启动时间的关系式:t=4.6加棚H+1.7R.一0.1675ot.?ro一一25(7)针对以上两个模型存在的问题,本文采用软件DETACT12,对t火源条件下,启动温度为68的闭式喷头,环境温度为20C,安装高度日分别为2,6,10,20m时,喷头响应时间指数分别为l5,50,100,300,喷头距火源径向距离r分别为0.5,1,3,10m的不同情况下,喷头的动作时间进行了研究,具体结果见表1.表中St,Mt,Ft,一

9、t分别代表慢速,中速,快速和超快速开展t火,其火灾增长系数分别为0.002931,0.01127,0.04689,0.1878.通过对表1中数据的研究,可以发现:喷头响应时间指数越大,喷头的灵敏性越差,动作时间越长.比方对于慢速火,顶棚高度为2m,喷头距火源的径向距离为0.5m时,RTI为15时,喷头启动时间为92.6s,RT1为300时,启动时间为205.2s,比RTI为15的喷头启动时间晚112.6s;喷头安装高度越高,启动时间越长.比方对于中速火,喷头距火源的径向距离为1m,RTI为15时,当喷头的安装高度为2m时,喷头启动时间为75.5s,当喷头的安装高度为6m时,启动时间为158.5

10、s,比安装高度为2m的喷头启动时间晚83s;喷头距火源中心径向距离越大,启动时间越长.比方对于快速火,RTI为50,安装高度为6m时,当喷头距火源的距离为1m时,喷头启动时间为93s,当喷头距火源的距离为3m时,喷头启动时间为151.5s,比距火源的距离为1In的喷头启动时间晚58.5s;但当喷头安装高度到达一定值时,径向距离对喷头启动时间影响的敏感度降低.采用遗传算法对表1中的参数进行拟合,得到了在综合考虑喷头响应时间指数,喷头安装高度,径向距离等因素的情况下,喷头启动时间的方程(相关系数为0.878):t:5.54Rrl?+61.5366+124.6一.?一661.82r.?一0.012(

11、8)本文同时研究了环境温度对喷头启动时问的影响.用软件DETACT12计算环境温度为40C时喷头的启动时间,具体见表2.从表1和表2的数据比拟可以看到,环境温度越高,喷头的启动时间越快.如对于中速火,RTI为100的喷头,顶棚高度为6m,喷陈颖:典型喷头响应时间工程计算模型研究头距火源的距离为3m,当环境温度为20C时,启动时间为367.6s,当环境温度为40C时,启动时间为258.1s,比环境温度为2O97.4450.6450.6574.41061.7252.2252.2340.0564.6140.2140.2l83.1344.52021O9.21809.21809.2974.1974.19

12、74.11581.9489.5489.5489.5840.5283.4283.4283.4455.4表2=40C时喷头启动时间随RT/,H,r,的变化情况t/s吖日StMtFfUFtr=0.5r=1r=3r=10r=0.5r=1r=3,=10r=0.5r=1r=3r=10r=0.5r=lr165.8165.8l65.8278.92l57.6220.8379.1628.8l00.8133.3223.0397.368.786.4131.9231.148.864.5101.0158.46368.2371.1576.61O43.3205.0208.0357.5593.31l9.9121.2196.23

13、61.291.092.O138.3223.13o010573.2573.2756.71359.0348.3348.3436.0761.3184.3l84.3247.1435.7130.813O.8161.3270.7202162.41262.41262.42O62.1658.8658.8658.8l135.4373.9373.9373.9588.7219.1219.1219.1364.7-7?武警学院学报)2021年第l2期(总第163期)?消防理论?2结果比照分析针对两种不同的环境温度(20和40),喷头的RTI取100,喷头距火源的径向距离取10m,火灾增长为中速火,比拟不同模型的计算结果

14、和DE.TACT12计算值的差异,具体见图1.从图1可以看到,本文的工程模型比拟接近不同情况下喷头的启动时间,如当环境温度为2O,喷头的安装高度为6m时,DETACT12模型的计算值为632.8s,公式(8)的计算值为573.3s,相差59.5s;W.K.Chow模型的计算值为285.9s,相差346.9s;张村峰模型的计算值为191.7s,相差441.1s.所以,本文的拟合公式较好的反映了喷头的实际启动情况.2E自tO11帖馆卫卫2苫蕾卫蕾f拥高度(a)环境温度为20C时喷头启动时间1拥尚隧,m(b)环境温度为40C时喷头启动时间图1不同环境温度下喷头启动时间图2列出了不同喷头安装高度下其它

15、条件变化对喷头启动时间的影响.从图2可知,喷头安装高度是影响喷头启动时间的最重要因素,图2(ad)的每种工况,喷头启动时间差异最大达1000多秒.图2(a)为环境温度30,RTI为100,径向距离为5m,火源增长为慢速,中速,快速,超快速等情况下,喷头启动时间随安装高度的变化.从图2(a)可以看到,在其它条件相同的情况下,火源增长速率对喷头的启动时间影响仅次于喷头安装高度.如当顶棚高度为8m时,慢速火时喷头的启动时间为730.4s,?8?快速火时喷头的启动时间为157.5s,相差572.9s.图2(b)为环境温度30,RTI为100,火源增长中速,喷头距火源的径向距离为2m,5m,10m等情况

16、下,喷头启动时间随安装高度的变化.从图2(b)可以看到,在其它条件相同的情况下,径向距离对喷头的启动时间影响仅次于火灾增长系数.如当顶棚高度为6m时,径向距离为5m时喷头的启动时间为319.7s,径向距离为10m时喷头的启动时间为494.3s,相差174.6s.图2(c)为环境温度30C,火源增长中速,喷头距火源的径向距离为5m,喷头RTI为20,50,100等情况下,喷头启动时间随安装高度的变化.从图2(c)可以看到,在其它条件相同的情况下,RTI对喷头的启动时间影响最小.如当顶棚高度为6m时,R为20时喷头的启动时间为297.9s,RTI为100时喷头的启动时间为366s,相差68.1s.

17、图2(d)为火源增长中速,喷头距火源的径向距离为5m,喷头RTI为100,环境温度为20,30,40等情况下,喷头启动时间随安装高度的变化.从图2(d)可以看到,在其它条件相同的情况下,环境温度对喷头的启动时间影响较大.如当顶棚高度为6m,环境温度为2O时喷头的启动时间为447.7s,环境温度为024681O12141618挖斟项瞒(a)小川火灾增长速率时喷头启动时间02468101214161日壁签O2468101214161824笠顶幅(b)不同径向距离时喷头启动时间鼬舌唧渤劢蝴伽0亘鲁稃E!陈颖:典型喷头响应时间工程计算模型研究星鲁辱暮莹嚼西顶棚高度/舶(C)R7/I大启动时I_贞棚商m

18、(d)不同环境温度时喷头启动时fHj图2不同影响因素时喷头启动时间曲线40时喷头的启动时间为3l9.7s,相差128s.3结论计算并分析了启动温度为68C的喷头的响应时间,并拟合得到了喷头响应时间的工程计算模型.从分析可知,喷头响应时间指数越大,喷头的灵敏性越差,动作时间越长;喷头安装高度越高,启动时间越长;喷头距火源中心径向距离越大,启动时间越长;但当喷头安装高度到达一定值时,径向距离对喷头启动时间影响的敏感度降低;环境温度越高,喷头的启动时间越快.针对拟合得到的工程计算模型进行分析,结果说明,喷头安装高度是影响喷头启动时间的最重要的因素,其次分别为火灾增长速率,喷头距火源的径向距离,环境温

19、度和反响时间常数.参考文献:1GUPTAAK.ModelingtheresponseofsprinklersincompartmentfiresJ.FireandMaterials,2001,25:l17121.2BUKOWSHIRW.FireHazardAnalysisK.FireProtectionHandbook.19thed.QuincyMA:NationalProtectionAssociation,2003,Section3Chapter7.3BUDNICKEK,EVANSDD,NELSONHE.SimplifiedFireGrowthCalculationsK.FireProte

20、ctionHandbook.19thed.Quincy,MA:NationalProtectionAssociation,2003,Section3Chapter9.4NELSONHE.FPETOOL:FireProtectionEngineeringToolsforHazardsEstimationsR.NISTIRReport4380,BuildingandFireRe?searchLaboratory,NationalInstituteofStandardsandTechnology,1990.5FIRECALCFireEngineeringSoftwareR.DivisionofBui

21、lding,ConstructionandEngineering,CSIRO,NorthAustralia.6EVANSDD,STROUPDW.MethodstoCalculatetheResponseTimeofHeatandSmokeDetectorsInstalledBelowLargeUnobstrncturalCeilingsJ.FireTechnology,1986,22:5456.7CHOWWK.PerformanceofsprinklerinatriumJ.JournalofFireScience,1996.14:467488.8张村峰,霍然,李元洲.火灾中闭式喷头响应特性研究J.中国工程科学,2005,7(11):5559.AnEngineeringCalculationModelfortheActivationTimeofaTypicalSprinklerHeadCHENYing(DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Lang(ang,HebeiProvince065000,China)Abstract:ThesoftwareDETACT12wasusedtocalculatetheactivationtimeo