艦船彈庫噴淋系統壓力損失分析及管路優化設計

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(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015)

彈庫是易燃易爆的高危場所，發生火災將嚴重威脅艦船的戰斗力和生命力，必須為艙內配置高效、節能的滅火系統。由于取水方便且成本低廉，采用海水作為工作介質的水滅火系統在艦船消防系統應用中具有得天獨厚的優勢。任何水滅火系統都必須借助管道、控制閥組、噴嘴及各種管接頭等來實現滅火用水的輸送、控制及噴淋，由于流體自身的黏性，其經過彎頭、閥件、節流孔處等將產生遠大于直管的能力損失[1-6]。艦船消防總管的水流經過閥組、各分支管管路到達最末端噴頭，管路逐漸變細，水壓及流量也隨之降低，噴頭入口壓力不能得到有效保證，將直接影響到噴淋滅火效果乃至彈庫的安全。在噴淋系統設計及管網布局中，流體壓力損失是必須考慮的關鍵因素，如何在艦船消防系統壓力不高的情況下，確保所有噴頭供水壓力滿足要求，精確計算系統中間各環節的壓力損耗，并進行有效控制、改進、選型等使系統管路設計得以優化尤為重要。

選取噴淋系統作為研究對象，分析其系統構成，以及流體在管路中壓力損失的影響因素，提出管路設計應遵循的原則和減少壓力損失的措施，為噴淋系統的設計、布局提供參考和依據。

1 噴淋系統概況

噴淋系統主要由啟閉控制閥組、開啟機構、泄漏檢測裝置、壓力指示表、主管道、上下分管、噴淋支管及噴頭等組成。噴淋系統入口配置有手動截止閥與消防總管連接，然后經過啟閉控制閥組、噴淋主管、分管、支管等將噴淋用水送達每一個噴頭。消防總管布置在艦船艙室外的通道內，因此，手動截止閥、啟閉閥組、開啟機構等也都布置在艙外通道下方以方便操作及維修，噴淋主管垂直向上接入艙室內部將消防水引入各噴淋分管、支管。艙內管路全部采用平面布局，設于被保護區域的正上方。噴頭出水口朝下安裝在管路下部，噴頭的數量和布局應保證噴淋水能完全覆蓋住整個被保護區域。

2 壓力損失計算模型

根據噴淋系統組成、布局及工作原理可知，系統中壓力損耗最大處為距消防總管最遠、最高、最末端的噴頭，因此必須計算出該噴頭的入口壓力，使其滿足設計要求。

根據流體力學理論[7-8]，建立噴頭入口壓力pn的計算公式為

pn=p0-Δp

(1)

式中：p0為系統輸入壓力；Δp為總壓力損失。

總壓力損失Δp的計算公式為

Δp=∑(ΔpT+ΔpM+Δph)

(2)

式中：ΔpT為由管壁摩擦引起的沿程壓力損失；ΔpM為由閥件和管件引起的局部壓力損失；Δph為由管路升高引起的壓力損失。

由式(2)可知，壓力損失主要由沿程壓力損失、局部壓力損失和管路升高引起的壓力損失三部分組成。減少沿程壓力損失ΔpT的計算公式為

(3)

式中：λ為沿程阻力系數；l為管道直線長度,m，dH為管道內徑，m；ρ為流體密度，kg/m3；υ為液體截面的平均速度，m/s。

局部壓力損失ΔpM的計算公式為

(4)

式中：ζ為局部阻力系數。

管路升高引起的壓力損失Δph的計算公式為

Δph=ρ·g·h

(5)

式中：h為管路上升高度，m。

通過式(1)～(5)可知，影響壓力損失的變量因素主要為沿程阻力系數λ、局部阻力系數ζ以及管內流速υ，因此，應分析這些變量的計算模型及影響因素，進而選取較小值作為設計依據。

3 阻力系數計算模型及分析

3.1 沿程阻力系數

噴淋管系中所有管路截面形狀全部為圓形，假設其內壁光滑，則管道沿程阻力系數λ僅與雷諾數Re有關。

(6)

雷諾數是用來表征流體流動情況的量綱一的量，其與管道直徑、流體流速成正比，與流體黏性成反比[9]。由式(6)可知，沿程阻力系數隨雷諾數的增大而減小，因此，增大管徑、提高流速及改善管壁光滑度均可減小沿程阻力系數。但實際應用中，管徑和流速都是經過計算或根據經驗行取值的，只能通過管材選用、優化工藝等措施提高管道內部光滑度來減小沿程阻力系數。

3.2 局部阻力系數

3.2.1 管徑擴大時的局部阻力系數ζ

管徑擴大見圖1。

管徑突然擴大時，局部阻力系數ζ計算公式為

(7)

圖1 管徑擴大

管徑突然擴大會形成局部渦旋，造成較大的能量損失。從式(7)可知，管徑突然擴大的程度越劇烈，局部阻力系數越大，同時還會引起振動和噪聲，設計中應加以避免。

管徑逐漸擴大時，局部阻力系數ζ的計算公式為

(8)

式中：K為與擴散角θ有關的系數，根據吉布森(A.H.Gibson)提供的試驗數據可知，K值與θ正相關：θ在5°～7°之間取值時K值最小，約為0.135，之后K值隨θ增大而急劇增大；θ在55°～80°之間取值時K值最大，約為1～1.22，之后K值隨θ的增大而有所回落，并穩定在1附近。從式(8)可知，沿程阻力系數λ越大且管徑擴大越劇烈，則局部阻力系數ζ也越大。

3.2.2 管徑收縮時的局部阻力系數ζ

管徑收縮見圖2。

管徑突然收縮時，局部阻力系數ζ計算公式為

(9)

圖2 管徑收縮

管徑突然收縮時，ζ主要取決于斷面收縮比，收縮程度越劇烈，則ζ值越大。

管徑逐漸縮小，當θ<30°時，局部阻力系數ζ的計算公式為

(10)

當θ=30°～90°時，局部阻力系數計算公式為

(11)

管徑逐漸收縮時，局部阻力系數ζ的計算公式比較復雜，不僅與斷面收縮比有關，還受沿程阻力系數λ、收縮角θ的影響。斷面收縮越劇烈，收縮角θ越小，則局部阻力系數ζ越大；而沿程阻力系數λ越小，則局部阻力系數ζ也越小。

3.2.3 彎管及折管的局部阻力系數ζ

彎管和折管見圖3。

圖3 彎管和折管

彎管的局部阻力系數ζ的計算公式為

(12)

折管的局部阻力系數ζ的計算公式為

(13)

3.2.4 三通接頭的局部阻力系數ζ

在管路的三通接頭處可能有各種方式的流動，其局部阻力系數見表1。由表1可見，阻力系數不僅與接頭內的流動方式相關，還與三通接頭自身的角度有關，在設計中盡量按阻力系數小的流動方式進行設計和選擇。

表1三通接頭的局部阻力系數

3.2.5 閥件的局部阻力系數ζ

由于閥件的結構復雜、規格多樣，通過當量長度(L/D)法求出局部阻力系數，或采取類比法取得局部阻力系數后進行壓力損失估算。計算值可以通過設置壓力探測裝置直接測量具體閥件進出口兩端壓力差值的實驗手段進行檢驗和對比。

上述局部阻力系數是在不受其他阻力干擾的孤立條件下進行分析計算測定，實際安裝情況千變萬化，如，相鄰兩處阻力之間彼此干擾，將導致計算數據與實際值不同。在條件允許的情況下，盡可能減少管徑或流向的頻繁改變，以減少局部壓力損失。

4 噴淋管路優化設計原則及減少壓力損耗措施

通過對噴淋系統的壓力損失和各環節的阻力系數進行分析，提出對管路設計需遵循的原則及減小壓力損耗的措施。

1)合理選擇總管道內的流速。根據計算模型分析可知，管道的沿程壓力損失和局部壓力損失都與管內流速υ的平方成正比。流速太高不僅造成能量損失過大，而且會產生振動、噪聲及氣穴等問題，導致管道使用壽命降低，甚至導致系統不能正常工作；而流速過低又會降低系統的快速響應性，同時造成管徑和閥類元件尺寸過大，使系統的重量、空間體積以及造價成本都相應增加[10-12]。

2)計算各分支管的管內流速，合理選擇支管的管徑。要使各支管內流速均勻，避免因劇烈變徑引起流速忽快忽慢而產生的振動。

3)在管系的設計和計算過程中，盡量不采用突變管，而是采用漸變管且擴散角θ應盡量小，結合艙內現場安裝環境，優化管道的走向，盡量少置彎頭和連接管件，以降低不必要的壓力損失。

4)采取工藝措施保證管道內壁光滑。選取合適的管材，支管焊接后及時清除內壁上的焊渣并打磨光整，酸洗后及時吹干、密閉，保持內壁的光潔、干燥。

5)選擇控制彎管半徑R，以減小因管道轉向帶來的壓力損失，控制彎管工藝保持彎管內孔為圓形。推薦R值取約2倍管徑。

6)根據水流流動的方向減小支流管與總流管之間的夾角，或用圓角、斜角過渡。

7)具體分析閥件和管件造成壓力損失過大的原因，優化設計改善流動狀況以減小阻力。

5 結論

通過應用流體力學理論，結合噴淋系統組成、布局，分析出造成系統壓力損失的3個因素分別為沿程壓力損失、局部壓力損失、管路升高引起的壓力損失，并分別建立數學模型。根據建立的壓力損失數學模型分析，確認減少系統壓力損失需從減小沿程阻力系數、局部阻力系數以及降低管內流速著手，分別對管徑擴大、管徑縮小、管徑折彎、三通接頭及閥件型式等幾種工況的阻力系數及影響因素進行研究，分析其關系及變化趨勢，提出噴淋系統優化設計原則以及減小壓力損耗的措施。