謝佩珍，劉耀榮
(福州大學(xué)土木建筑工程學(xué)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(jì)算公式，并提出了統(tǒng)一的計(jì)算公式。對(duì)射流在噴嘴和空氣中的水頭損失和充實(shí)水柱所需水壓的計(jì)算提出了更為簡(jiǎn)便的方法。
　　關(guān)鍵詞：噴頭；流量系數(shù)；充實(shí)水柱；水頭損失
　　中圖分類號(hào)：TU882
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)02-0056-04

1　計(jì)算公式及系數(shù)的選用

1.1　計(jì)算公式
　　表1列出了4種噴頭計(jì)算公式的表達(dá)式、相應(yīng)系數(shù)的量綱、單位和數(shù)值。

表1　噴頭流量公式、量綱、單位及系數(shù)單位 名稱 表達(dá)式 特性系數(shù)量綱(K或B) μ值 d(mm) H或P的單位 K或B值 消火栓噴頭 Q=（BH）^1/2［1］ B［L^{5. 0}T^-2］ 1.0 13.0
16.0 m 0.346
0.793 消火栓噴頭 Q=（BH）^1/2［1］ B［L^{5. 0}T^-2］ 1.0 13.0
16.0 m 0.346
0.793 消火栓噴頭 Q=（BH）^1/2［1］ B［L^{5. 0}T^-1］ 1.0 13.0
16.0 kPa 0.0346
0.0793 閉式噴頭 q=k(P)^1/2［2］ K［L^2.5T^-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［L^3.5F^-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［L^2.5F^-1.0］ 0.70 10.0
12.7 m 0.243
0.392 開式噴頭 q=K(H)^1/2［3］ K［L^2.5F^-0.5］ 0.70 10.0
12.7 kPa 0.0776
0.125 水幕噴頭 q=(BH)^1/3［3］ K［L^5.0F^-1］ 0.994
0.952 10.0
12.7 kPa 0.011
0.029 水幕噴頭 q=K(P)^1/2［2］ K［L^2.5T^-1］ 0.637 10.0 m 0.2215 水幕噴頭 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，在使用中存在計(jì)算公式不統(tǒng)一、流量系數(shù)差異大等問題。?
　　噴頭流量計(jì)算公式是按能量方程推導(dǎo)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(yàn)得知，對(duì)于消防用圓錐形收斂管嘴，當(dāng)收斂角θ=13°24′、斷面收縮系數(shù)ε=0.98時(shí),流速系數(shù)φ=0.96，流量系數(shù)(μ)達(dá)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(dá)式不同，使特性系數(shù)K、B的量綱、數(shù)值混亂，使用不便，實(shí)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(shí)按式(2a)、(3a)計(jì)算；以kPa表示時(shí)則按式(2b)、(3b)計(jì)算，K=B。
　　表1中P的單位為kg/cm²(0.1MPa)時(shí)g=981cm/s²，K=0.011μd², 這樣就統(tǒng)一了4種噴頭的流量計(jì)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(dá)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(zhǎng)達(dá)300mm，該段沿程和局部阻力損失在管道水頭損失計(jì)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(shì)在此未能反映，且該值又偏小。如從最不利噴頭起依次計(jì)算后續(xù)噴頭流量q及管道流量Q，則將嚴(yán)重影響噴水強(qiáng)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(duì)水泵供水能力、揚(yáng)程的影響，因此有必要對(duì)噴口的μ值進(jìn)行進(jìn)一步的論證，建議根據(jù)不同的噴口類型，提供相應(yīng)的μ值。?

2　水力參數(shù)

　　消防設(shè)計(jì)中對(duì)最不利點(diǎn)消火栓栓口所需流量和噴射壓力往往需要進(jìn)行試算，即先假設(shè)水槍噴嘴直徑d和充實(shí)水柱長(zhǎng)度Sk(或Hm)，然后通過反復(fù)試算求得實(shí)際的q、hg和hs，這給設(shè)計(jì)帶來(lái)不便。現(xiàn)推薦以下方法，即按實(shí)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(shí)水柱所需壓力hg、hs，如圖1所示。

　　水槍噴嘴造成一定長(zhǎng)度的充實(shí)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(shí)際射流長(zhǎng)度S應(yīng)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(dāng)流速系數(shù)φ=1.0時(shí)，?
? ф=0.25/d+(0.1d)³　　(9)?
　　水槍充實(shí)水柱長(zhǎng)度Sk與實(shí)際射流長(zhǎng)度S的關(guān)系為：?
?　　　　　　　S=αfSk　　　(10)?
　　則　?hg=S／1-фS=αfSk／1-фαfSk　　　　(11)?
　　式中?αf——試驗(yàn)系數(shù)，經(jīng)試驗(yàn)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　噴嘴特性系數(shù)B和噴嘴直徑系數(shù)ф值表 噴嘴直徑(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,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。?
　　②要滿足q≥5L/s，則充實(shí)水柱Sk愈小時(shí)，要求d愈大。例如Sk=6m時(shí),d=25mm；當(dāng)Sk=7～11m時(shí),d=22mm；當(dāng)Sk=12～17m時(shí),?d=19mm。
　　③當(dāng)噴嘴直徑相同、實(shí)際射流長(zhǎng)度和噴嘴流量值較小時(shí)，射流在水槍噴嘴和空氣中的水頭損失hs值較?。粚?shí)際射流長(zhǎng)度不變，噴嘴直徑增大，hs降低；此外hs變幅值較大，當(dāng)Sk=6～8m、d=22mm、q=4.6～5.4 L/s時(shí),hs=0.46～0.83m；當(dāng)Sk=9～11m、d=19或22mm、q=4.4～6.5 L/s時(shí)，hs=1.25～1.94 m；當(dāng)Sk=12～14m、d=19mm、q=5.2～5.7 L/s時(shí),hs=2.4～3.4m；當(dāng)Sk=15～17m、d=16或19mm、q=4.4～6.6L/s時(shí),hs=4.0～7.7m，因此實(shí)際采用hs時(shí)應(yīng)慎重選擇。

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 消火栓栓口所需水壓

　　文獻(xiàn)［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(zhǎng)度的充實(shí)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(xiàn)：

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