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)02-0056-04

1　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) μ值 d(mm) H或P的单位 K或B值 消火栓喷头 Q=（BH）^1/2［1］ B［L^{5. 0}T^-2］ 1.0 13.0
16.0 m 0.346
0.793 消火栓喷头 Q=（BH）^1/2［1］ B［L^{5. 0}T^-2］ 1.0 13.0
16.0 m 0.346
0.793 消火栓喷头 Q=（BH）^1/2［1］ B［L^{5. 0}T^-1］ 1.0 13.0
16.0 kPa 0.0346
0.0793 闭式喷头 q=k(P)^1/2［2］ K［L^2.5T^-1］ 1.0 11.0 m 0.42 闭式喷头 q=k(P)^1/2［3］ K［L⁴F^-0.5T^-1］ 1.0 11.0 0.1
MPa 1.33 闭式喷头 q=k(P)^1/2［4］ K［L^3.5F^-0.5］ 1.0 11.0
12.7 kPa 0.135
0.138 开式喷头 q=μF(2gH)^1/2=K(H)^1/2［4］ K［L^2.5F^-1.0］ 0.70 10.0
12.7 m 0.243
0.392 开式喷头 q=K(H)^1/2［3］ K［L^2.5F^-0.5］ 0.70 10.0
12.7 kPa 0.0776
0.125 水幕喷头 q=(BH)^1/3［3］ K［L^5.0F^-1］ 0.994
0.952 10.0
12.7 kPa 0.011
0.029 水幕喷头 q=K(P)^1/2［2］ K［L^2.5T^-1］ 0.637 10.0 m 0.2215 水幕喷头 q=(BH)^1/2［4］ K［L^5.0T^-2］ 0.95 10.0
12.7 m 0.1082
0.286

　　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=εφF(2gH)^1/2=μF（2gH)^1/2=μ（π/4）（d²/1000)[(2gH)]^1/2 (1)

　　式中?F——管嘴出口面积，m²?
　　　　?H——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θ=13°24′、断面收缩系数ε=0.98时,流速系数φ=0.96，流量系数(μ)达到最大值0.94^［5］。?
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=0.003477μd² (P)^1/2 (2a)?
　　或? q=K(P)^1/2=0.001110μd²(P)^1/2 (2b)
?　　　q=K(BH)^1/2=0.003477μd²(H)1/2 (3a)?
　　或? q=(BH)^1/2=0.001110μd²⁽H)1/2 (3b)?
　　式中?q——喷头流量，L/s?
?　　　　μ——流量系数?
?　　　　d——喷口直径，mm?
　　P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=0.011μd², 这样就统一了4种喷头的流量计算公式。?
1.3　流量系数μ的选用
　　从表1可以看出，各式中μ值相差很大(μ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′)，μ的最大值也才达到0.94,因此μ值的误差(Δμ)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μ值不可能为1.0；小孔口的流量系数为0.62，而表1中μ=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μ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μ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=υ²/2gφ² (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=K1Sv²／d2g　　　　 (6)?
　　将式(4)、(6)代入式(5)，可得：?

　　hg=S/[1-φ²K₁(S/d)] (7)

　　令 ф=φ²K1（1/d）
　　则 hg=S/1-фS (8)

　　式中?K1——阻力系数?
　　　　　ф——与喷嘴阻力、空气阻力、喷嘴直径有关的系数
　　当流速系数φ=1.0时，?
? ф=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=αfSk　　　(10)?
　　则　?hg=S／1-фS=αfSk／1-фαfSk　　　　(11)?
　　式中?αf——试验系数，经试验αf=1.19+80(0.01Sk)4　　(12)?
　　已知d、μ，按式(3a)及式(9)即可列出表2，求得B、ф。

表2　喷嘴特性系数B和喷嘴直径系数ф值表 喷嘴直径(mm) 9 3 16 19 22 25 B 0.079 0.346 0.793 1.577 2.834 4.727 ф 0.0257 0.0165 0.0124 0.0097 0.0084 0.0062

　　已知Sk,按式(12)可求得αf、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：
　　①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。?
　　②要满足q≥5L/s，则充实水柱Sk愈小时，要求d愈大。例如Sk=6m时,d=25mm；当Sk=7～11m时,d=22mm；当Sk=12～17m时,?d=19mm。
　　③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=6～8m、d=22mm、q=4.6～5.4 L/s时,hs=0.46～0.83m；当Sk=9～11m、d=19或22mm、q=4.4～6.5 L/s时，hs=1.25～1.94 m；当Sk=12～14m、d=19mm、q=5.2～5.7 L/s时,hs=2.4～3.4m；当Sk=15～17m、d=16或19mm、q=4.4～6.6L/s时,hs=4.0～7.7m，因此实际采用hs时应慎重选择。

表3?hg和q值表 d(mm) Sk=6 m，αf=1.191，S=7.146 Sk=7 m，αf=1.192，S=8.344 Sk=8 m，α f=1.193，S=9.544 hg(m) q(L/s) hs(m) hg(m) q(L/s) hs(m) hg(m) q(L/s) hs(m) s 8.754 0.832 1.608 10.622 0.916 2.278 12.646 1.000 3.102 13 8.101 1.674 0.955 9.676 1.830 1.332 11.328 1.980 1.784 16 7.840 2.493 0.694 9.307 2.717 0.963 10.825 2.930 1.281 19 7.678 3.483 0.532 9.079 3.787 0.735 10.518 4.077 0.974 22 7.602 4.642 0.456 8.973 5.043 0.629 10.376 5.423 0.832 25 7.477 5.945 0.331 8.799 6.449 0.455 10.144 6.925 0.600 d(mm) Sk=9 m，αf=1.195，S=10.757 Sk=10 m，αf=1.198，S=11.980 Sk=11 m，αf=1.202，S=13.219 hg(m) q(L/s) hs(m) hg(m) q(L/s) hs(m) hg(m) q(L/s) hs(m) 9 14.867 1.084 4.110 17.309 1.169 5.329 20.020 1.258 6.801 13 13.078 2.127 2.321 14.932 2.273 2.952 16.907 2.419 3.682 16 12.413 3.137 1.656 14.070 3.340 2.090 15.811 3.541 2.592 19 12.010 4.356 1.253 13.555 4.628 1.575 15.163 4.895 1.944 22 11.826 5.789 1.069 13.320 6.144 1.340 14.870 6.492 1.651 25 11.552 7.390 0.795 12.941 7.821 0.931 14.399 8.250 1.180 d(mm) Sk=12 m，αf=1.207，S= 14.479 Sk=13 m，αf=1.213，S=15.767 Sk=14 m，αf=1.221，S=17.090 hg(m) q(L/s) hs(m) hg(m) q(L/s) hs(m) hg(m) q(L/s) hs(m) 9 23.060 1.350 8.581 26.509 1.447 10.742 30.475 1.552 13.385 13 19.024 2.566 4.545 21.311 2.715 5.544 23.802 2.870 6.712 16 17.647 3.741 3.168 19.599 3.942 3.832 21.686 4.147 4.778 19 16.845 5.159 2.366 18.614 5.423 2.847 20.486 5.689 3.396 22 16.484 6.635 2.005 18.174 7.177 2.407 19.955 7.520 2.865 25 15.907 8.669 1.428 17.475 9.089 1.708 19.115 9.506 2.025 　d(mm) Sk=15 m，αf=1.231，S= 18.458 Sk=16 m，αf=1.242，S=19.879 Sk=17 m，αf=1.257，S=21.366 hg(m) q(L/s) hs(m) hg(m) q(L/s) hs(m) hg(m) q(L/s) hs(m) 9 33.213 1.620 14.755 40.643 1.792 20.764 47.386 1.935 26.020 13 26.541 3.031 8.083 29.582 3.199 9.703 33.000 3.379 11.634 16 23.937 4.357 5.479 26.382 4.574 6.503 29.067 4.801 7.701 19 22.484 5.960 4.026 24.628 6.238 4.749 26.952 6.526 5.586 22 21.845 7.868 3.387 23.864 8.224 3.985 26.039 8.590 4.673 25 20.843 9.926　 2.385 22.674　 10.353 2.795　 24.629 10.790　 3.263

3 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，kPa?
?　　　　hd——水龙带的水头损失，kPa?
?　　　　hg——水枪喷嘴造成一定长度的充实水柱所需水压，kPa，hg=S+hs
?　　　　hs1——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，查表3就可直接得到满足规范要求的水枪喷射流量q、hg、S和hs,从而求得Hxh。

参考文献：

　　［1］太原工业大学.建筑给水排水工程(第3版)［M］.北京：中国建筑工业出版社,1997.
　　［2］钱维生.高层建筑给水排水工程［M］.上海：同济大学出版社,1993.
　　［3］刘振印,傅文华，等.民用建筑给水排水设计技术措施［M］.北京：中国建筑工业出版社,1997.
　　［4］陈耀宗,姜文源，等.建筑给水排水设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版 社,1994.
　　［5］闻德荪,魏亚东，等.工程流体力学(下册)［M］.北京：高等教育出版社，1996.

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　　电　　话：(0591)7893005(O)3714121(H)?
　　收稿日期：2001-09-08