基于射流機(jī)理的直流水槍充實(shí)水柱特性研究

王萬(wàn)通

摘要：直流水槍主要應(yīng)用于室內(nèi)消火栓以及消防救援隊(duì)伍遂行滅火任務(wù)，水槍的射流性能決定了其滅火的效能。而水槍的充實(shí)水柱Sk這一性能參數(shù)是評(píng)估直流水槍滅火能力的重要指標(biāo)。本文分析了水槍充實(shí)水柱的影響因素，基于射流機(jī)理將水槍射流進(jìn)行機(jī)制劃分，闡述了直流水槍射流水柱的破碎過(guò)程，為消防水槍更有效地應(yīng)用于滅火救援提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：直流水槍;射流機(jī)理;充實(shí)水柱

1? 直流水槍充實(shí)水柱研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

直流水槍主要應(yīng)用于室內(nèi)消火栓系統(tǒng)以及消防救援隊(duì)伍遂行滅火任務(wù)，是用水撲救火災(zāi)最常用的射水器具，目前在我國(guó)使用最廣泛的直流水槍是直徑19mm的直流水槍。直流水槍重要性能參數(shù)之一是充實(shí)水柱長(zhǎng)度Sk。GB 50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[1]（以下簡(jiǎn)稱建規(guī)）對(duì)充實(shí)水柱，即Sk值，定義為從水槍噴嘴起至射流90%的水柱水量穿過(guò)直徑380mm圓孔處的一段射流長(zhǎng)度。此處定義的充實(shí)水柱概念，以流量為標(biāo)定方式，主要用以規(guī)范供水系統(tǒng)的壓力。GB50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[2]中提出室內(nèi)消火栓栓口壓力和消防水槍充實(shí)水柱，應(yīng)符合下列規(guī)定：高層建筑、廠房、庫(kù)房和室內(nèi)凈空高度超過(guò)8m的民用建筑等場(chǎng)所，消火栓栓口動(dòng)壓不應(yīng)小于0.35MPa，且消防水槍充實(shí)水柱長(zhǎng)度應(yīng)按13m計(jì)算;其他場(chǎng)所，消火栓栓口動(dòng)壓不應(yīng)小于0.25MPa，且消防水槍充實(shí)水柱長(zhǎng)度應(yīng)按10m計(jì)算。

目前國(guó)外對(duì)于水射流的研究，主要集中在高壓水射流方面，消防水槍低壓射流的特性還鮮見(jiàn)研究。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)充實(shí)水柱做過(guò)相關(guān)研究，如李前林[3]比較分析了充實(shí)水柱的兩種計(jì)算方法，進(jìn)行了水槍噴嘴壓力計(jì)算方法對(duì)比研究，提出了理論公式與實(shí)驗(yàn)系數(shù)組合法的半經(jīng)驗(yàn)公式，來(lái)計(jì)算充實(shí)水柱與水槍噴嘴壓力的關(guān)系。廖曉鋒[4]通過(guò)分析射流穩(wěn)定性，給出了提高消防炮射水充實(shí)段長(zhǎng)度的噴嘴結(jié)構(gòu)。他們的研究結(jié)論具有一定的參考意義，然而基于射流機(jī)理的充實(shí)水柱特性目前相關(guān)研究還是空白。水槍射流的充實(shí)水柱特性研究的主要內(nèi)容為射流水滴的粒徑分布情況、射流角度的影響以及射流破碎機(jī)理等。

2? 水槍射流充實(shí)水柱特性分析

2.1? 充實(shí)水柱影響因素

在研究消防水槍的射流時(shí)，通常將射流分為密集射流和分散射流，密集射流包含了射流核心不分散段和水流集中段，而水槍的分散射流段按照水滴平均粒徑大小分為開(kāi)花射流和噴霧射流。當(dāng)分散射流的水滴平均直徑在0.1～1mm之間時(shí)，稱為開(kāi)花射流;當(dāng)分散射流的水滴平均直徑小于0.1mm時(shí)，稱為噴霧射流[5]。在滅火過(guò)程中，噴霧射流和開(kāi)花射流汽化速度快，吸熱冷卻作用強(qiáng)，窒息效果好，有良好的沖擊乳化作用和電器絕緣性能，消防滅火時(shí)用水量少，水漬損失小，除煙效果好，而且其隔絕熱輻射效果好。

噴霧射流段以及開(kāi)花射流段要經(jīng)過(guò)帶有一定動(dòng)量的水柱輸運(yùn)至火場(chǎng)，建規(guī)中定義的充實(shí)水柱長(zhǎng)度，在消防供水設(shè)計(jì)和滅火救援中，實(shí)際為密集射流的有效射程，這段射流水流量集中，既有開(kāi)花射流又有噴霧射流，便于瞄準(zhǔn)火點(diǎn)，并有一定的沖擊力，能夠使可燃物降溫，有效地?fù)錅缁馂?zāi)[5]。直流水槍射流的充實(shí)水柱會(huì)受到多種因素影響，主要包括：物性參數(shù)、水槍設(shè)計(jì)以及實(shí)際射流環(huán)境影響。對(duì)于給定的D19mm水槍，其充實(shí)水柱長(zhǎng)度的影響因素則主要受物性參數(shù)和環(huán)境變量影響。

2.2? 定性分析

當(dāng)射流水柱在空氣中輸運(yùn)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)形式是兩相流動(dòng)，是自由運(yùn)動(dòng)。為了從物理及氣動(dòng)阻力方面來(lái)分析射流特性，我們?nèi)∫粓A柱形微元體，由于所有的微元體都是失重狀態(tài)，微元體的速度梯度極小，從充實(shí)段分離的主要原因是湍流的擾動(dòng)、水自身的表面張力，以及與空氣的撞擊摩擦，如圖1所示，圖中α表示射流角度。直流水槍形成的射流核心段，其長(zhǎng)度會(huì)隨出口壓力增大而減小，實(shí)際測(cè)算的Sk值，表征的意義為充實(shí)核心段至霧化段之間的一段密集射流段，并非字面表述的充實(shí)段。

2.3? 射流角度對(duì)Sk影響分析

文獻(xiàn)指出，充實(shí)水柱長(zhǎng)度與射流角度相關(guān)性較小，可以忽略不計(jì)。這一特性可由理論推論得出。由定性分析可知，水槍射流受到空氣動(dòng)力學(xué)影響較大，低雷諾數(shù)時(shí)，阻力正比于速度、粘度和特征長(zhǎng)度;而高雷諾數(shù)時(shí)，阻力正比于速度平方、密度和迎風(fēng)面積。水槍射流為高雷諾數(shù)流動(dòng)，根據(jù)風(fēng)阻的計(jì)算公式，水滴在空氣中的阻力為：

式中A為射流微團(tuán)迎風(fēng)面積，C為風(fēng)阻系數(shù)，為微團(tuán)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度，為水的密度。

對(duì)于不同射流角度的情況，運(yùn)動(dòng)方向上瞬時(shí)速度受重力和空氣阻力影響：

為射流角度，即射流出口的速度方向與水平方向夾角，為微團(tuán)質(zhì)量。每一微小時(shí)刻微團(tuán)運(yùn)動(dòng)距離，由式（1）、（2）得：

可變換為：

由于射流初速度一般在10m/s以上，（4）式中，，而的數(shù)量級(jí)在102-103，因此項(xiàng)可忽略不計(jì)：

同時(shí)，射流水由水槍出口至充實(shí)水柱長(zhǎng)度，在空中停留時(shí)間較短，式（2）的時(shí)間項(xiàng)值較小，在射流過(guò)程中的值變化不大，水滴微團(tuán)由水槍噴嘴沿射流方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)徑向方向也有速度分量，當(dāng)徑向運(yùn)動(dòng)至20d處，即測(cè)得Sk處時(shí)，有：

值的變化較小，Sk值則主要取決于風(fēng)阻系數(shù)、水滴微團(tuán)的形態(tài)，而射流角度α對(duì)充實(shí)水柱的影響可忽略不計(jì)。

3? 水槍射流破碎機(jī)制分析

3.1? 射流破碎機(jī)制

射流破碎機(jī)理是受到慣性力、粘性力、表面張力和氣動(dòng)力的共同結(jié)果，可用雷諾數(shù)（Reynoldsnumber，液體慣性力和粘性力之比）、氣體韋伯?dāng)?shù)（Webernumber，氣體慣性力和液體表面張力之比）這兩個(gè)無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)來(lái)表征和分析[7]。

水槍射流由充實(shí)水柱的密集射流到分散開(kāi)花射流再到噴霧射流，是由于水槍射水出流后射流的破碎與分裂。由于所涉及的物理機(jī)制不同，射流破碎在相關(guān)流動(dòng)參數(shù)的不同區(qū)域表現(xiàn)出不同的特征[8]。選取型號(hào)QZG19的直流水槍，在通常情況下射流所涉及的參數(shù)如表1所示。當(dāng)我們分析研究水槍的射流特性時(shí)，無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)綜合考慮了多個(gè)變量的影響因素，對(duì)于不同工況下的射流情形同樣適用。

當(dāng)環(huán)境因素一定時(shí)，水槍射流的破碎長(zhǎng)度，即充實(shí)水柱的維持尺度，與平均出流速度相關(guān)，可劃分為滴落機(jī)制、Rayleigh機(jī)制、一階風(fēng)誘導(dǎo)破碎機(jī)制、二階風(fēng)誘導(dǎo)破碎機(jī)制以及霧化破碎機(jī)制[9][10]，其中前3種機(jī)制是低速射流時(shí)的射流破碎機(jī)制，形成的破碎液滴直徑尺寸范圍分布較寬;在二階風(fēng)誘導(dǎo)機(jī)制下，空氣動(dòng)力學(xué)作用力逐漸增強(qiáng)，與液相湍流共同影響射流的分解和破碎，得到的液滴直徑遠(yuǎn)小于噴嘴直徑d，同時(shí)在射流徑向上的分散也會(huì)加強(qiáng);霧化破碎機(jī)制下，氣液速度差較大，水槍射流在噴嘴附近就開(kāi)始發(fā)生全面霧化，射流徑向上開(kāi)始向外分布射流液滴，此時(shí)的射流核心長(zhǎng)度和徑向直徑是混亂的。

3.2? 直流水槍射流機(jī)制劃分

空氣的慣性力與射流水表面張力之間的關(guān)系用氣體韋伯?dāng)?shù)表征，表示為：

式中，為空氣密度，kg/m3;為水槍射流速度，m/s;為水槍噴嘴直徑，m;為水的表面張力系數(shù)，N/m。

Farago&Chigier（1992）將射流的破碎用氣體韋伯?dāng)?shù)進(jìn)行了劃分，分為三大類射流破碎機(jī)制：時(shí)，射流受空氣影響較小，平均液滴直徑為d的同數(shù)量級(jí)，射流連續(xù)性較強(qiáng)，此時(shí)處于為滴落機(jī)制、Rayleigh機(jī)制;時(shí)，液滴平均直徑減小，射流核心段長(zhǎng)度逐漸縮短，開(kāi)花射流段變長(zhǎng)，此時(shí)處于一階風(fēng)誘導(dǎo)破碎機(jī)制;時(shí)，射流破碎機(jī)制處于二階風(fēng)誘導(dǎo)破碎機(jī)制，射流離開(kāi)噴射不遠(yuǎn)處就產(chǎn)生破碎，射流充實(shí)核心段縮短，水滴直徑分布范圍較廣，并且遠(yuǎn)小于d，噴霧射流段增加;當(dāng)繼續(xù)增大，射流為直接霧化破碎。

針對(duì)于直流水槍，射流的物性參數(shù)和水槍的設(shè)計(jì)參數(shù)固定，其射流形態(tài)取決于水槍出口壓力P。為分析韋伯?dāng)?shù)與水槍出口壓力之間的關(guān)系，我們將壓力水看作不可壓縮流體，從水槍流入至射流出口過(guò)程利用伯努利方程得：

式中為槍入口流速。又由質(zhì)量守恒定律：

進(jìn)出口截面積分別為：

忽略射流進(jìn)出口高差，由（8）、（9）、（10）得：

式中，為水槍進(jìn)出口壓力差（MPa），出水口處環(huán)境為大氣壓強(qiáng)，分子項(xiàng)可簡(jiǎn)化為2P;D為供水水帶直徑65mm，分母4次方項(xiàng)可簡(jiǎn)化為0，因此得：

將射流速度表達(dá)式帶入氣體韋伯?dāng)?shù)表達(dá)式得：

式（13）中P為水槍出口壓力（MPa）的值，由公式可以看出，氣體韋伯?dāng)?shù)與水槍出口壓力為線性關(guān)系。為研究通常情況下的水槍射流，我們?cè)谶@里取常溫20℃下水和空氣的密度，;在293K下水的表面張力系數(shù)為72.75×10-3N·m-1，，代入式中分別計(jì)算出水槍射流出口壓力，最終將射流劃分各階段在坐標(biāo)軸上顯示得：

圖2闡述了水槍出口壓力不同時(shí)的射流階段，當(dāng)水槍射流在出口壓力0.04MPa之后，受空氣動(dòng)力學(xué)影響因素不可忽略，并且當(dāng)出口壓力增大到0.17MPa進(jìn)入二級(jí)風(fēng)誘導(dǎo)破碎階段;當(dāng)出口壓力為0.79MPa時(shí)，射流從水槍出口處就開(kāi)始全面發(fā)生霧化機(jī)制，其充實(shí)核心（Jetcore）段基本消失，此時(shí)的充實(shí)水長(zhǎng)度Sk內(nèi)的射流水柱幾乎全部為霧化水，水的動(dòng)能有一部分轉(zhuǎn)化為空氣的動(dòng)能，水柱裹挾空氣，空氣摻混到射流柱體。這也正說(shuō)明了滅火實(shí)踐中，當(dāng)非密集射流段或者霧化段射流到著火建筑內(nèi)，不僅將開(kāi)花水和霧狀水帶入著火空間，也同時(shí)將具有一定動(dòng)量的空氣引流至室內(nèi)。當(dāng)射流水不能達(dá)到火點(diǎn)，熄滅可燃物時(shí)，引射的空氣反而會(huì)加劇火勢(shì)燃燒程度。

同時(shí)，需要指出的是，在不同的火災(zāi)情景下，環(huán)境溫度有一定的變化，然而水的理化性質(zhì)變化并不大，對(duì)式（13）的計(jì)算結(jié)果浮動(dòng)較小，可以忽略不計(jì)。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文從水槍射流形態(tài)出發(fā)，闡述了充實(shí)水柱Sk的影響因素，并且從射流機(jī)理的角度劃分了水槍射流的破碎機(jī)制。主要結(jié)論如下：

（1）射流角度對(duì)水槍射流的影響作用很小，充實(shí)水柱的長(zhǎng)度主要取決于射流形態(tài)，而射流形態(tài)的直接相關(guān)參數(shù)為無(wú)量綱數(shù)氣體韋伯?dāng)?shù)和雷諾數(shù)。

（2）根據(jù)射流出口壓力與氣體韋伯?dāng)?shù)的線性關(guān)系，指出了水槍出口壓力在0.04～0.79MPa之間時(shí)，水槍射流受空氣動(dòng)力學(xué)影響程度由小至大，最終發(fā)生全面霧化。

下一步，筆者將會(huì)設(shè)計(jì)比原始測(cè)量方式更為合理和可靠的充實(shí)水柱測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，準(zhǔn)確測(cè)量充實(shí)水柱長(zhǎng)度，提出科學(xué)的充實(shí)水柱計(jì)算方法。

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[10]N Chigier，RD Reitz.Regimes of jet breakup and breakup

mechanisms （physical aspects）

Research on characteristics of full water

spout through fire nozzles based on jet mechanism

Wang Wantong

China Fire and Rescue Institute

Abstract：Fire nozzles are mainly used for indoor fire hydrant and fire and rescue team to carry out firefighting task. The jet performance parameters of fire nozzles are important indexes to evaluate the fire extinguishing ability of fire nozzles. Under the given jet condition， full water spout （Sk） is an important index to evaluate the fire extinguishing ability of fire nozzles. In this paper， the influencing factors of full water spout are analyzed. Based on the jet mechanism， the mechanism of water jet of water gun is divided， and the forming and breaking process of water column are described. The full water spout is obtained， which provides theoretical support for the fire nozzles to be more effectively used in firefighting and rescue.

Keywords：fire nozzle; jet mechanism; full water spout