自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)噴頭布水特性實(shí)驗(yàn)探討

李子健+廖東輝+馬蘇煒

摘 要：本文以ZST-15和ZSTX-15型噴頭為例，利用實(shí)驗(yàn)裝置在工作壓力為0.05-0.10MPa范圍內(nèi)對噴頭進(jìn)行了布水特性測試實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，利用MATLAB數(shù)學(xué)工具擬合回歸出實(shí)驗(yàn)區(qū)域噴水強(qiáng)度分布圖，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析探討。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)；噴水強(qiáng)度；噴頭工作壓力；噴頭布水特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.157

1 引言

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)是目前應(yīng)用很廣泛的固定式滅火系統(tǒng)，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)噴頭能自動(dòng)開啟，并把水噴灑在著火區(qū)域，快速的抑制燃燒，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的初期控制，最大限度的減少損失。盡管從最早的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)到現(xiàn)在已經(jīng)有200多年的應(yīng)用歷史，而我國的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)應(yīng)用也有90多年的歷史。但在理論和技術(shù)經(jīng)濟(jì)各個(gè)方面方面仍舊有許多地方值得深入探討。能否有效撲滅火災(zāi)，主要取決于噴水強(qiáng)度的多少，取決于噴頭的布水形式、布水面積與水滴大小等相關(guān)特征。不同形式的噴頭的布水形式和特征是有差異的。文獻(xiàn)《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊》一文認(rèn)為，下垂型噴頭向下噴水，在濺水盤平面以下水流向下分布類似于半球狀。落在水平面上的覆蓋范圍是以噴頭的垂線為中心的圓面。在此圓面上，水密度基本上是均勻分布的[1]。而《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)噴水強(qiáng)度概率分布特性及其控火性能研究》一文中，作者利用W. K. Chow 和 L. C. Shek的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件擬合了徑向距離和噴頭工作壓力等參數(shù)關(guān)于噴水強(qiáng)度的公式， 最終得出結(jié)論：在噴頭有效覆蓋區(qū)域，噴頭的噴水強(qiáng)度是不均勻的[2]。本文主要從實(shí)驗(yàn)的角度對噴頭的布水特性問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析[4]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由噴水系統(tǒng)和噴水強(qiáng)度測量裝置組成。噴水系統(tǒng)由水箱、水泵、變頻調(diào)速裝置、穩(wěn)壓裝置、管道系統(tǒng)壓力測量裝置和灑水噴頭等部件組成。主要部件說明如下：

a.灑水噴頭： 為檢測不同噴頭性能，實(shí)驗(yàn)選用金盾公司生產(chǎn)的型號為ZST-15和ZSTX-15的閉式噴頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前將噴頭內(nèi)的溫感玻璃泡打碎，噴頭采用下噴安裝，距地面高度為2.4m。

b.變頻調(diào)速裝置和穩(wěn)壓裝置：噴頭的布水特性需要在不同的壓力條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。變頻調(diào)速裝置可以對水泵電機(jī)進(jìn)行無級調(diào)速，從而可以非常方便的調(diào)節(jié)噴頭工作壓力。為減小噴頭工作壓力波動(dòng)，水泵出口采用環(huán)網(wǎng)并接入穩(wěn)壓罐進(jìn)行穩(wěn)壓。

c.噴水強(qiáng)度測量裝置：該裝置主要包括淋水盤和電子秤等。為便于實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)整理，本文實(shí)驗(yàn)一共選用了兩種不同的淋水盤，一種是直徑為88mm的大淋水盤，一種是直徑為68mm的小淋水盤。由于模擬建筑內(nèi)幾何尺寸較小，為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)噴頭安裝在位于靠近建筑的邊角位置。因?yàn)閲婎^的實(shí)際有效覆蓋區(qū)域?yàn)閳A形，所以實(shí)驗(yàn)有效區(qū)域?qū)嶋H為噴頭有效覆蓋的四分之一圓的扇形區(qū)域。布置淋水盤時(shí)，在四分之一圓的扇形區(qū)域內(nèi)，沿徑向每隔7.5度布置一列淋水盤，同一列上淋水盤間距為30cm。

2.2 實(shí)驗(yàn)壓力的選定

在《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50084-2001（2005年版）中，把噴頭最低工作壓力由0.1 MPa變?yōu)?.05 MPa。這是考慮到目前我國的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)大多采用高位消防水箱供水的方式，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，供水泵啟動(dòng)之前，允許消防水箱或其他輔助供水設(shè)施供給系統(tǒng)啟動(dòng)初期的用水量和水壓。如果頂層最不利點(diǎn)處噴頭的水壓要求為0.1MPa，則屋頂水箱要比頂層噴頭高出10m以上，這會(huì)給建筑造型和結(jié)構(gòu)上帶來很大的困難?？紤]到這些因素，在參考國外相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，規(guī)范中將最不利點(diǎn)處噴頭的工作壓力確定為不應(yīng)低于0.05MPa。而因降低最不利點(diǎn)處噴頭最低工作壓力而產(chǎn)生的問題，仍需要通過其他方法解決，但是規(guī)范中并未給出具體的方法[3]。噴頭在0.05到0.1MPa工作壓力下噴水強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，國內(nèi)外很少有相關(guān)資料涉及。因此，我們主要在噴頭的工作壓力范圍為0.05-0.1MPa下進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

水的密度在常溫下可近似取為1g/cm3。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，我們用電子秤測出淋水盤內(nèi)水的質(zhì)量，然后利用公式（3.1）計(jì)算出在杯子中水的體積V，利用公式（3.2）即可得出各個(gè)測點(diǎn)的噴水強(qiáng)度。然后在相同的壓力下多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出平均值，即可以得到各個(gè)測點(diǎn)噴水強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)整理出的各測點(diǎn)噴水強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們利用數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB軟件擬合回歸出實(shí)驗(yàn)區(qū)域噴水強(qiáng)度分布圖。限于篇幅我們只列出型號為ZSTX-15的噴頭在實(shí)驗(yàn)壓力為0.08MPa時(shí)的擬合圖，見圖3.1。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)整理后的數(shù)據(jù)和圖表可以看出：實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)噴水強(qiáng)度的分布是不均勻的，且有一定的隨機(jī)性。由于實(shí)驗(yàn)次數(shù)不多，目前暫時(shí)沒有尋找到很好的分布規(guī)律。噴頭的噴水強(qiáng)度最大值，并不是位于半徑最小的區(qū)域，而是位于徑向的中間部位。半徑相同的位置，噴水強(qiáng)度隨角度的變化也有不同。即噴水強(qiáng)度分布的隨機(jī)性和不均勻性在徑向和周向都有所體現(xiàn)。ZSTX-15型噴頭噴水強(qiáng)度的峰值一般出現(xiàn)在保護(hù)半徑R=100cm～230cm范圍內(nèi)。噴水強(qiáng)度總體來看隨保護(hù)半徑的增加而減小，增加到某一數(shù)值后噴水強(qiáng)度幾乎為零。同一種噴頭噴水強(qiáng)度的分布即使在不同壓力的分布規(guī)律也比較相近，差異主要表現(xiàn)在噴水強(qiáng)度的大小。兩種不同噴頭噴水強(qiáng)度的分布規(guī)律有較大差異，主要體現(xiàn)在峰值出現(xiàn)的位置和總體的均勻性。ZST-15型噴頭噴水強(qiáng)度的峰值一般出現(xiàn)在保護(hù)半徑R接近于零范圍內(nèi)。ZSTX-15型噴頭噴水強(qiáng)度總體的均勻性要好于ZST-15型噴頭。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃曉家等.自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊（第一版）[M].北京：中國建筑出版社，2002.

[2]徐曉玲，姚斌，王漢杰，李娟.自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)噴水強(qiáng)度概率分布特性及其控火性能研究[J].火災(zāi)科學(xué)，2009，18（02）：155-162.

[3]GB50084-2001，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范（2005年版）[S].北京： 中國計(jì)劃出版社，2005.

[4]楊曉芳.自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)若干問題的探討：[碩士學(xué)位論文][D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

[5]戴淑萍.濕式自動(dòng)噴水滅火環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算研究：[碩士學(xué)位論文][D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

基金項(xiàng)目：2015年沈陽航空航天大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 項(xiàng)目編號：DX504306endprint