第四章消防水力学基础知识

新疆消防协会欢迎您新疆社会消防安全培训中心二0一一年一月消防职业技能培训许甲勇第四章消防水力学基础知识第一节水的性质水是无色无味透明的液体，不仅取用方便，而且分布广泛，在化学上呈中性，无毒，冷却效果非常好。因此，水是最常用、最主要的灭火剂。上海“11.15”火灾

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l00℃时，蒸发成气体，水温下降到0℃时，即凝结成固体称为冰。一、水的基本特性

水温升高1℃，单位体积的水需要吸收的热量，称为比热容。若将水的比热容作为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水温度升高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。

(一)水的比热容

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，将水喷洒到火焰处时，水能迅速汽化成蒸汽。因此，水具有良好的冷却降温作用。同时，水变成蒸汽时体积迅速扩大。1L水变成水蒸气后体积扩大1725倍，可以占据燃烧区空间，具有隔绝空气窒息灭火的作用。(二)水的汽化热

纯净的水当温度下降到0℃时，开始凝结成冰。水结成冰，是由液态变成固态，水分子间距离增大，体积也随之扩大。因此，冬季应对消防给水管道和储水容器进行保温，防止消防设备损坏。处于流动状态的水不易结冰。因此，为了不使水带内的水冻结成冰，冬季火场上，当消防队员需要转移水枪阵地时．不要关闭水枪。应保持小射流，使水仍处于流动状态。(三)水的冰点

在水力学中，与水运动有关的物理性质主要有以下六个方面。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称为容重。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。水在4℃时容重最大，1L纯净的水重1kg。(一)密度和容重二、水的主要物理性质

水在不同温度时的容重温度(℃)O41020304060100容重(N/m3)98069807980l97899764973096429399

当水在流动时，水分子之间、水分子与固体壁面之间的作用力显示为对流动的阻抗作用，即显示出所谓黏滞性阻力(内摩擦阻力)，水的这种阻抗变形运动的特性就称为黏滞性。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，黏滞性在液体静止或平衡时是不显示作用的。(二)黏滞性

举例说明一下水的黏滞性：如果测出渠道水流的过水断面上各点的流速u，并绘出过水断面上的流速分布，如图所示(图中每根带箭头的线段的长度表示该点流速的大小)。发现过水断面上的流速分布是不均匀的。

渠底流速为零，随着离开固体边界的距离的增加，流速逐渐增大，至水面附近流速最大。这主要是因为水流的黏滞性所致。离开壁面的距离愈大，壁面对流速的影响愈小。

流得快的水层对流得慢的水层起拖动作用，因而快层作用于慢层的内摩擦力与流向相同，反之慢层对快层起阻滞作用。慢层作用于快层的摩擦力与流向相反，两力大小相等，都具有抗拒其相对运动的性质。由于水在管道或水带内流动要克服内摩擦力，因此，会产生水头损失。

水的体积随压力增加而减小的性质称为水的压缩性。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。根据实验，把温度为20℃在0.1MPa压力作用下的水体积作为1。(三)压缩性

温度为20℃不同压力时水的体积压力(MPa)0.11020304050水体积1．O0000.99430.98970.98530.98100.9766从表中可以看出，随着压力增加水体积变化不大。因此，通常把水看成是不可压缩的液体，但对个别特殊情况，水的压缩性不能忽略。如水枪开关突然关闭时，会产生一种水击现象，在研究这一问题时，就必须考虑水的压缩性。

水的体积随水温升高而增大的性质称为水的膨胀性。根据实验，水的体积变化较小。因此，在消防设计和火场供水中水的膨胀性均可略去不计。(四)膨胀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。凡是由极性分子或与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；可以扑救比水重且不溶于水的可燃液体；可以稀释溶于水的可燃液体，使火灾得到控制或扑灭。(五)溶解性

水的导电性能与水的纯度、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，因而称为良导体。流散于地面上的水，均能导电，在火场上应防止触电。(六)水的导电性水由氢、氧两元素组成。灭火时消防射流触及高温设备，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℃以上时，水蒸气将会迅速分解为氢气和氧气：氢气为可燃气体，氧气为助燃气体，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，其爆炸范围广，爆炸威力大。若无可靠的防范措施，就会造成火灾爆炸事故。2H20

H2+02(一)水的分解三、水的化学性质高温水与活泼金属锂、钾、钠、锶、钾钠合金等接触，将发生强烈反应。这些活泼金属与水化合时，夺取水中的氧原子，放出氢气和大量的热量，使释放出来的氢气与空气中氧气相混合形成的爆炸性混合物，发生自燃或爆炸。1．水与活泼金属反应水能与许多物质起化学反应。(二)水的化学反应2Na+2H20

2NaOH+H2↑+热量

水与锌粉、镁铝粉等金属粉末接触，在火场高温情况下发生剧烈的反应，并放出氢气，会助长火势扩大和火灾蔓延。Zn+H20ZnO+H22．水与金属粉末反应金属镁铝合粉与水接触，比水单独与镁粉或铝粉接触反应更为剧烈。（水与镁粉或铝粉单独反应时生成的氢氧化铝和氢氧化镁，是不燃烧的薄膜物质，其覆盖在金属表面阻碍着铝粉和镁粉的继续燃烧。而水与镁铝合粉反应，生成溶解于水偏铝酸镁，因而使镁铝粉表面不能形成不燃的薄膜，使水与镁铝粉无障碍地继续反应，放出氢气和大量的热量，这在火场上会助长燃烧或发生爆炸现象。）2A1+6H20

2A1(OH)3+3H2+热量Mg(OH)2+2A1(OH)3Mg(A102)2+4H20

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，则氢化物和水中的氢原子放出，产生大量的氢气，会助长火势。A1H3+3H20Al(OH)3+3H2↑NaH+H20NaOH+H2↑+热量3．水与金属氢化物反应水与硅化镁、硅化铁等接触，会释放出自燃物四氢化硅，四氢化硅易与空气中的氧反应，发生自燃。Mg2Si+4H20Mg(OH)2+SiH44．水与硅金属化合物反应水与碳化钙、碳化钾、碳化铝等接触时，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，生成易燃易爆的碳氢化合物气体，并释放出大量的热量：

CaC2+2H20

Ca(OH)2+C2H2↑+热量

水与石灰氮(俗称电石，CaCN2)接触，能释放出可燃气体氨。不纯净的电石与水接触，还能释放出乙炔气。在火场上，这些碳氢化合物(如乙炔、甲烷和氨等)都有助长火势扩大和火灾蔓延的可能。5．水与碳金属反应B2H6+6H202H2B03+6H2↑+热量水与硼氢类物质，如二硼氢、硼氢化钾、硼氢化钠等接触，释放出氢气和大量的热量。6．水与硼氢类物质化学反应

7．水与磷化物发生反应水与磷酸钙、磷化锌等磷化物接触，生成磷化氢，磷化氢在空气中能自燃。Ca3P2+6H203Ca(OH)2+2PH3↑+热量

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热量以及有毒气体等，从而引起燃烧或爆炸。因此，在扑救火灾时应根据物质的性质，采取相应的灭火剂。凡与水接触能引起化学反应的物质严禁用水扑救。根据水的性质，水的灭火作用主要有冷却、窒息、稀释、分离、乳化等方面，灭火时往往是几种作用的共同结果，但冷却发挥着主要作用。由于水的比热容大，汽化热高，而且水具有较好的导热性。因而，当水与燃烧物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。一、冷却作用第二节水的灭火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。

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，可用水予以稀释。由于可燃物浓度降低而导致可燃蒸气量的减少，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。三、稀释作用二、窒息作用经灭火器具(尤其是直流水枪)喷射形成的水流有很大的冲击力，这样的水流遇到燃烧物时，能使火焰产生分离，这种分离作用一方面使火焰“端部”得不到可燃蒸气的补充，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。非水溶性可燃液体的初起火灾，在未形成热波之前，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黏度的增加而增加，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，降低可燃蒸气产生的速率，致使燃烧中止。五、乳化作用四、分离作用(一)消防射流的定义(二)消防射流的类型一、消防射流消防射流是指灭火时由消防射水器具喷射出来的高速水流。常见的射流类型有密集射流和分散射流两种类型。第三节消防射流

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分散，离水枪口较远处射流逐渐分散。密集射流耗水量大，射程远，冲击力大，机械破坏力强。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，都是以密集射流的形式扑救火灾的。1．密集射流

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消防射水器具，形成扩散状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。2．分散射流(1)喷雾射流。水滴粒径平均小于l00μm的分散射流，称为喷雾射流。喷雾射流由喷雾水枪产生。其特点是控制面积大，用水量省，燃烧区蒸汽浓度大，能吸收大量汽化热，隔绝空气，有良好的冷却和窒息作用，同时，水渍损失小，除烟效果好。(2)开花射流。水滴粒平均径在100μm～l000μm之间，用来降低热辐射的伞形水射流，称为开花射流。开花射流由开花水枪或多用水枪产生。

二、消防射水器具(一)消防水枪消防射水器具是把水按需要的形状有效地喷射到燃烧物上的灭火器具，包括消防水枪和消防水炮。消防水枪是指由单人或多人携带和操作的以水作为灭火剂的喷射管枪。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、开花水枪、多用水枪等。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两种。直流水枪是一种喷射密集充实水流的水枪，具有射程远、水量大、冲击力强等优点。直流水枪是由枪筒和喷嘴所组成。水枪喷嘴一般为圆锥形，主要用途是增加水流的出口速度，并使射流不分散。为减少水流涡流，在枪筒内安装稳流器(导流装置)，使枪筒内水流趋匀流状态，以提高枪筒结构的水力条件。

常用的直流水枪喷嘴口径有l3mm、16mm和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，造成水带爆破或影响消防员安全。

(3)水枪充实水柱由水枪喷嘴起到射流90％的水柱水量穿过直径380mm圆孔处的一段射流长度称为充实水柱(又叫有效射程)。(1)对于建筑高度不超过100m的高层民用建筑，其水枪充实水柱不应小于10m；(2)高层工业建筑和建筑高度超过100m的高层民用建筑，其水枪充实水柱不应小于13m；(3)甲、乙类厂房、层数超过6层的公共建筑和层数超过4层的厂房(仓库)，其水枪充实水柱不应小于10m；

扑灭不同建筑物火灾对水枪充实水柱有不同的要求:(4)高架仓库和体积大于25000m3的商店、体育馆、影剧院、会堂、展览建筑，车站、码头、机场建筑等，其水枪充实水柱不应小于13m；(5)一般性的低层建筑，其水枪充实水柱不应小于7m；

(6)地下工程，其水枪充实水柱不应小于10m；(7)停车库、修车库，其水枪充实水柱不应小于10m；(8)扑灭室外火灾，其水枪充实水柱应为10m～15m。

喷雾水枪是一种喷射雾状射流的消防水枪。其特点是：比密集充实射流有更好的冷却和窒息效果，对可燃液体及气体吹灭和乳化灭火作用更强，有良好的隔绝热辐射效果和电绝缘性能，有强烈的驱散烟气能力。该水枪适用于扑救建筑室内火灾，带电设备火灾、可燃粉尘火灾及部分可燃液体和气体火灾等，还可稀释浓烟及可燃气体和氧气的浓度。

2．喷雾水枪(1)喷雾水枪的分类喷雾水枪分离心式喷雾水枪、机械撞击式喷雾水枪和簧片式喷雾水枪三种。(2)喷雾水枪的使用使用喷雾水枪灭