室內大空間自動尋的噴水滅火系統水射流軌跡分析

胡國良，龍 銘，李 忠，王少龍

（華東交通大學 機電工程學院，南昌 330013）

0 引言

大空間建筑雖然豐富了人們的物質文化生活，但對火災消防提出了更高的要求。由于大空間建筑具有室內面積大、高度高、人員或物品密集等特點，傳統的消防裝備已無法滿足其消防處置要求[1]。因此，對室內大空間自動尋的噴水滅火系統開展研究非常有必要。然而現有國內外研究都集中在研究火災發生具體位置的精確判斷[2～4]，對噴水滅火系統的水流軌跡的研究相對較少，導致自動噴水滅火時定位精度不高，需要額外浪費水流量來滅火。現階段，主要通過噴水實驗得到大量的實驗數據，這不僅耗費大量的人力物力，而且自動尋的效果也不明顯。基于此，本文設計了一種室內大空間自動尋的噴水滅火系統，對水流軌跡進行建模仿真，并把工作壓力、俯仰角度和安裝高度等工況參數作為考察對象，分析對水流射程以及落地速度的影響，為火源空間精確定位提供控制參考依據。

1 自動尋的噴水滅火系統結構設計

噴水滅火系統要求結構緊湊和精簡，所以不能選用需要較大空間范圍的傳動形式。另外，滅火系統的定位精度要求也比較高。考慮到齒輪傳動工作平穩、傳動效率高和壽命長，蝸輪蝸桿傳動結構緊湊，在一定條件下具有反行程自鎖能力，所以設計時采用齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動復合傳動的方式作為本系統動力傳遞的基本形式。

圖1 自動尋的噴水滅火系統結構示意圖

圖1所示為所設計的自動尋的噴水滅火系統結構示意圖。它主要由水平傳動機構、俯仰傳動機構及相應的檢測機構組成。滅火系統通過頂板1安裝在室內大空間的頂部，外部供水管道通過法蘭3上的管螺紋與其相連接，把壓力水引入到滅火系統。火災未發生時，啟動探測器5處于監測狀態；當監測到室內有火災時，會將火災發生信號傳輸給主控制器，主控制器發出報警信號的同時啟動水平步進電機轉動，安裝在水平步進電機上的水平蝸桿隨之轉動并帶動與其嚙合的水平蝸輪2轉動；同時，與蝸輪2同軸的水平小齒輪11轉動并帶動與其嚙合的水平大齒輪4轉動，從而帶動整個裝置在水平方向上轉動。安裝在噴嘴上的水平探測器7進行水平方向掃描，當探測到火源信號時，水平步進電機繼續轉動并啟動主控制器開始計數，當火源信號消失時，停止主控制器計數并記錄下數值，水平步進電機反轉到一半數值的位置完成火源中心水平定位。與此同時，啟動俯仰步進電機帶動俯仰尋的機構完成火源中心俯仰定位。火源空間定位后開啟水閥對火源進行噴水滅火。

2 水流軌跡數學建模

噴水滅火系統是利用水作為滅火介質，通過噴射出的壓力水作用在火災表面，阻斷火災繼續燃燒，達到滅火的目的。如何使壓力水準確作用在火災表面十分關鍵，除了噴頭在程序控制下對火源中心位置進行空間定位外，另外還要求在滿足允許誤差的條件下，水流最終落點能夠有效的落在火源的中心位置。

圖2 落水點與火點位置關系

圖2所示為落水點與火點的位置關系。當噴頭在空間中已正對火源中心后，噴出的水由于諸多因素的影響，可能最終的落水點離火源中心區域的距離超出了有效滅火誤差范圍ε，即|X0-X|＜ε。這時，應調整噴頭的俯仰角θ從而使射程X和火源距離X0之差在有效滅火誤差范圍ε內。基于此，有必要建立符合實際的水流軌跡方程，推導出俯仰角θ與射程X的關系，優化控制程序，提高滅火系統的滅火定位精度。

2.1 水流軌跡受力分析

圖3所示為水流的受力分析圖。水流在下落過程中，主要受自身重力G和空氣阻力F的影響。其中，自身重力與水流質量有關，本分析中選取單位質量的水流單元；空氣阻力F主要與空氣阻力系數K和水流速度V相關[5]，由于水流的噴射速度相對不高，所以近似認為空氣阻力F與空氣阻力系數K和水流速度V的乘積成正比，即：

圖3 水流的受力分析

2.2 空氣阻力系數確定

空氣阻力由摩阻、渦阻和波阻三部分組成。根據實踐經驗可知，當飛行速度小于200m/s時，不會產生局部的激波現象，即不會產生波阻[6]。所以空氣阻力可以認為是摩阻和渦阻兩部分，空氣阻力系數計算如下：

2.3 水流軌跡方程建立

以噴水滅火系統安裝位置的中心線與地面的垂足為坐標系的原點O，以靠近火源的水平方向為坐標系X軸的正方向，以垂直地面向上的方向為坐標系Y軸的正方向，建立水流軌跡方程平面直角坐標系。水流軌跡的初始條件為：t=0, x=0,y=h, α=θ，根據牛頓第二定律：

取單位質量m=1，由式(3)可推出：

兩邊積分可得：

代入初始條件以及速度微分得：

兩邊積分得：

代入初始條件簡化并消除t可得：

式(8)泰勒級數展開并取前三項可得：

式(9)即為推導出來的水流軌跡方程，該方程反映了水流中各點的坐標與安裝高度h、俯仰角度θ、出水口流速V2和空氣阻力系數K之間的關系。

3 水流軌跡建模仿真分析

3.1 水流軌跡仿真模型搭建

為了直觀地表達和反映水流軌跡曲線，采用MATLAB/Simulink模塊對水流軌跡進行仿真分析。圖4所示為搭建好的水流軌跡曲線仿真模型。

通過輸入工作壓力、流量、進水口直徑、俯仰角度以及安裝高度等初始參數即可進行仿真，并得到相應的水流軌跡曲線。

3.2 不同工況參數對射流特性的影響

圖5所示為不同俯仰角度下的滅火系統射程曲線。仿真時設定安裝高度為12m，同時設定五種典型的工作壓力。由圖5可知，工作壓力一定時，隨著俯仰角度的增大，射程也隨之增大，尤其是當俯仰角在50°～60° 之間變化時，射程的變化幅值達到最大。同樣，隨著進水壓力的增大，射程也相應增大。當工作壓力為0.8MPa，俯仰角達到極限角度60°時，射程能夠達到18.147m，滿足設計要求的最大保護半徑為18m的設計要求。

圖4 水流軌跡仿真模型

圖5 不同俯仰角度下射程變化曲線

圖6 不同工作壓力下射程變化曲線

圖6所示為不同工作壓力下的射程變化曲線，當俯仰角在0°～30° 區間，射程隨壓力變化并不大，當俯仰角在40°～60° 區間，隨壓力升高，射程也隨之增大，而且增大幅度也在逐漸增大。

噴水滅火系統設計時要求安裝高度范圍為8m～12m之間，不同的安裝高度必會影響到水流射程。圖7比較了不同安裝高度下射程的變化情況，仿真時，系統工作壓力為0.6MPa，從圖中可看出，隨安裝高度的增高，射程也呈增大趨勢。

圖7 不同安裝高度下射程變化曲線

水流落地速度大小決定了水流落地時具有動能的強度。由動能定理可知，水流落地速度越大，水流具有的動能也越大，因此對火源的撲滅效果也就越好。圖8所示為不同俯仰角度下水流落地流速的變化關系。在工作壓力p=0.6MPa，安裝高度H=12m情況下，隨著俯仰角度的增大，水流落地速度逐漸減小。

4 結束語

所設計的室內大空間自動尋的噴水滅火系統結構緊湊、功能穩定，能夠滿足大空間建筑室內火災的撲滅要求。

圖8 不同俯仰角度下水流落地流速變化曲線

噴水滅火系統水射流軌跡方程及仿真結果表明工作壓力、俯仰角度和安裝高度這些工況參數的增大能夠提高射程；水流落地速度與俯仰角度成反比。這都和實際測試情況相一致，可進一步為火源空間精確定位提供理論參考依據。

[1] 楊慶.大空間展覽建筑性能化防火設計研究[M].重慶大學, 2005.

[2] 謝志冰, 費敏銳.基于CCD圖像的自動定位滅火系統的開發[J].自動化儀表, 2007, 28(7): 67-69.

[3] 郭慶, 黃慶鳴, 曾昭周.大空間早期火災的雙波段圖像探測技術研究[J].兵工自動化, 2008, 28(7): 62-65.

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[5] 萬峰, 陳曉陽.消防炮水射流軌跡擬合方程[J].消防科學與技術, 2007, 26(6): 656-657.

[6] 王敏忠.炮兵應用外彈道學及仿真[M].北京: 國防工業出版社, 2009.