消火栓噴頭及自噴系統(tǒng)噴頭的水力計算
謝佩珍，劉耀榮
(福州大學土木建筑工程學院，福建福州350002)
摘 要：歸納了消火栓噴頭、開式、閉式和水幕噴頭4種消防器材的流量計算公式，并提出了統(tǒng)一的計算公式。對射流在噴嘴和空氣中的水頭損失和充實水柱所需水壓的計算提出了更為簡便的方法。
關(guān)鍵詞：噴頭；流量系數(shù)；充實水柱；水頭損失
中圖分類號：TU882
文獻標識碼：C
文章編號：1000-4602(2002)02-0056-04
1 計算公式及系數(shù)的選用
1.1 計算公式
表1列出了4種噴頭計算公式的表達式、相應系數(shù)的量綱、單位和數(shù)值。
16.0 m 0.346
0.793 消火栓噴頭 Q=（BH）1/2［1］ B［L5. 0T-2］ 1.0 13.0
16.0 m 0.346
0.793 消火栓噴頭 Q=（BH）1/2［1］ B［L5. 0T-1］ 1.0 13.0
16.0 kPa 0.0346
0.0793 閉式噴頭 q=k(P)1/2［2］ K［L2.5T-1］ 1.0 11.0 m 0.42 閉式噴頭 q=k(P)1/2［3］ K［L4F-0.5T-1］ 1.0 11.0 0.1
MPa 1.33 閉式噴頭 q=k(P)1/2［4］ K［L3.5F-0.5］ 1.0 11.0
12.7 kPa 0.135
0.138 開式噴頭 q=μF(2gH)1/2=K(H)1/2［4］ K［L2.5F-1.0］ 0.70 10.0
12.7 m 0.243
0.392 開式噴頭 q=K(H)1/2［3］ K［L2.5F-0.5］ 0.70 10.0
12.7 kPa 0.0776
0.125 水幕噴頭 q=(BH)1/3［3］ K［L5.0F-1］ 0.994
0.952 10.0
12.7 kPa 0.011
0.029 水幕噴頭 q=K(P)1/2［2］ K［L2.5T-1］ 0.637 10.0 m 0.2215 水幕噴頭 q=(BH)1/2［4］ K［L5.0T-2］ 0.95 10.0
12.7 m 0.1082
0.286
由表1可以看出，在使用中存在計算公式不統(tǒng)一、流量系數(shù)差異大等問題。?
噴頭流量計算公式是按能量方程推導圓柱形外管嘴求得。
q=εφF(2gH)1/2=μF（2gH)1/2=μ（π/4）（d2/1000)[(2gH)]1/2 (1)
式中?F——管嘴出口面積，m2?
?H——管嘴中心作用水頭，(m或kPa)?
? q——噴頭流量，L/s
由試驗得知，對于消防用圓錐形收斂管嘴，當收斂角θ=13°24′、斷面收縮系數(shù)ε=0.98時,流速系數(shù)φ=0.96，流量系數(shù)(μ)達到最大值0.94［5］。?
1.2 公式的統(tǒng)一
由于噴頭壓力使用單位不同，公式的表達式不同，使特性系數(shù)K、B的量綱、數(shù)值混亂，使用不便，實際上式(1)可以規(guī)納為以下2種類型：?
? 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——噴頭流量，L/s?
? μ——流量系數(shù)?
? d——噴口直徑，mm?
P或H——噴頭壓力，以m表示時按式(2a)、(3a)計算；以kPa表示時則按式(2b)、(3b)計算，K=B。
表1中P的單位為kg/cm2(0.1MPa)時g=981cm/s2，K=0.011μd2, 這樣就統(tǒng)一了4種噴頭的流量計算公式。?
1.3 流量系數(shù)μ的選用
從表1可以看出，各式中μ值相差很大(μ值大小反映了噴口水流和射流在噴嘴壁、空氣中的阻力以及出口斷面的收縮情況)。即使在最理想的情況下(即圓錐形管嘴收斂角為13 °24′)，μ的最大值也才達到0.94,因此μ值的誤差(Δμ)至少為+6.4%(何況噴頭濺水盤至配水支管垂直距離往往長達300mm，該段沿程和局部阻力損失在管道水頭損失計算中并未考慮)，因此μ值不可能為1.0；小孔口的流量系數(shù)為0.62，而表1中μ=0.637接近此值，表明管嘴提高流量的優(yōu)勢在此未能反映，且該值又偏小。如從最不利噴頭起依次計算后續(xù)噴頭流量q及管道流量Q，則將嚴重影響噴水強度，從而降低滅火效果。在配水支、干管內(nèi)流速較大，水流處于阻力平方區(qū)，管道水頭損失和流速平方成比例，從中可以看出流量q、Q的大小對水泵供水能力、揚程的影響，因此有必要對噴口的μ值進行進一步的論證，建議根據(jù)不同的噴口類型，提供相應的μ值。?
2 水力參數(shù)
消防設計中對最不利點消火栓栓口所需流量和噴射壓力往往需要進行試算，即先假設水槍噴嘴直徑d和充實水柱長度Sk(或Hm)，然后通過反復試算求得實際的q、hg和hs，這給設計帶來不便?，F(xiàn)推薦以下方法，即按實際需要選定d和按規(guī)范確定Sk，查表就可直接得到滿足規(guī)范要求的水槍噴射流量q(≥5L/s)和充實水柱所需壓力hg、hs，如圖1所示。
水槍噴嘴造成一定長度的充實水柱所需水壓hg為：?
hg=υ2/2gφ2 (4)
式中v——噴嘴出口流速?
而水槍的實際射流長度S應為：?
?S=hg-hs (5)?
射流高度損失:hs=K1Sv2／d2g (6)?
將式(4)、(6)代入式(5)，可得：?
hg=S/[1-φ2K1(S/d)] (7)
令 ф=φ2K1（1/d）
則 hg=S/1-фS (8)
式中?K1——阻力系數(shù)?
ф——與噴嘴阻力、空氣阻力、噴嘴直徑有關(guān)的系數(shù)
當流速系數(shù)φ=1.0時，?
? ф=0.25/d+(0.1d)3 (9)?
水槍充實水柱長度Sk與實際射流長度S的關(guān)系為：?
? S=αfSk (10)?
則 ?hg=S／1-фS=αfSk／1-фαfSk (11)?
式中?αf——試驗系數(shù)，經(jīng)試驗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。
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,從而獲得噴嘴流量q,見表3。?
從表3可以歸納出：
①噴嘴直徑愈小、噴出流量亦愈小，水槍噴嘴所需水壓要求就愈大。?
?、谝獫M足q≥5L/s，則充實水柱Sk愈小時，要求d愈大。例如Sk=6m時,d=25mm；當Sk=7～11m時,d=22mm；當Sk=12～17m時,?d=19mm。
③當噴嘴直徑相同、實際射流長度和噴嘴流量值較小時，射流在水槍噴嘴和空氣中的水頭損失hs值較小；實際射流長度不變，噴嘴直徑增大，hs降低；此外hs變幅值較大，當Sk=6～8m、d=22mm、q=4.6～5.4 L/s時,hs=0.46～0.83m；當Sk=9～11m、d=19或22mm、q=4.4～6.5 L/s時，hs=1.25～1.94 m；當Sk=12～14m、d=19mm、q=5.2～5.7 L/s時,hs=2.4～3.4m；當Sk=15～17m、d=16或19mm、q=4.4～6.6L/s時,hs=4.0～7.7m，因此實際采用hs時應慎重選擇。
3 消火栓栓口所需水壓
文獻［3］提出的消火栓栓口所需水壓Hxh為：
? Hxh=hd+hg+hs1=hd+S+hs+hs1? (13)?
式中?Hxh?——消火栓栓口處所需水壓，kPa?
? hd——水龍帶的水頭損失，kPa?
? hg——水槍噴嘴造成一定長度的充實水柱所需水壓，kPa，hg=S+hs
? hs1——消火栓口水頭損失，kPa,建議hs1采用20 kPa
選定d和按規(guī)范確定Sk，查表3就可直接得到滿足規(guī)范要求的水槍噴射流量q、hg、S和hs,從而求得Hxh。
參考文獻：
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電 話：(0591)7893005(O)3714121(H)?
收稿日期：2001-09-08
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