淺談大空間自動尋的消防水炮射流狀態的影響因素

田雪圓

摘要：隨著大空間建筑的增多，初期火災的有效防范和抑制尤其重要。自動尋的消防水炮響應快、定位準確、滅火高效，可有效抑制初期火災蔓延。通過介紹自動尋的消防水炮的技術發展現狀，分析水炮參數對射流的影響，保證其射流位置更加精準、有效處置大空間建筑火災。

關鍵詞：自動尋的消防水炮;大空間;射流

隨著科技的發展，現代建筑更新的步伐也隨之加快，建筑結構越來越復雜，空間跨度逐漸加大、空間高度不斷上升，這使得人們對于生活安全的憂患意識以及安全需求也在逐漸增強。本文從自動尋的消防水炮的性能入手，分析影響自動尋的消防水炮射流狀態的主要因素。

1? 國內常用的自動尋的消防水炮

現今，隨著各類新型建筑消防需求的增多，智能型消防水炮的技術也在不斷創新，以其更先進有效的科技作為支撐，進一步去提高智能水炮在大空間建筑，尤其是一些化工企業、油庫、大型會館等特殊場所的應用安全，這將有助于更有效地抑制初期火災的蔓延。通過對國內一些消防產品進行查閱，紅外雙波段消防水炮和圖像探測型消防水炮應用較為普遍，尤其結合紅外技術和光截面探測技術后，對于火源的探測發現會更加及時。一些紅外消防炮產品（如圖1、圖2所示），發現火情后，定位噴水較快，通常時間不超過30s，而且產品集工作模塊、自動控制、手動控制、圖像監測等為一體。自動尋的消防水炮響應迅速、定位準確、滅火高效，可有效抑制初期火災蔓延。由于其流量大、射程遠、自動化程度較高，研究其射流軌跡、保證其射流位置精準，具有較強的現實意義和實用價值。如何選用紫外和紅外探測器、優化現場控制模塊、精準水平和垂直定位功能等，成為自動尋的水炮精確性的重要參考內容。

在較近的射程范圍內，水炮完成掃描后，其炮口是直線對準火源的，此時，炮口與豎直方向的夾角（以下簡稱俯仰角）較小，水射流軌跡近似直線，基本不用調試就能直接滿足噴射要求;當火源較遠時，水炮所需達到的射程較遠。俯仰角和射程在大于一定值時，水流在噴射到一定點后由于重力、阻力等影響，呈不規則拋物線下落。

2? 主要性能參數對射流狀態的影響

自動消防水炮以水為滅火劑，能自動完成火災探測、火災報警、火源瞄準和噴射滅火劑滅火[1]。自動尋的智能消防炮系統在探火性能上較為及時準確，噴水強度也很大，重要的是其保護面積較大、滅火能力較強、滅火效率較高。水炮的性能參數，如工作壓強、流量、俯仰角、安裝高度等，不同的性能參數對射流軌跡的影響也不同。

2.1? 工作壓強

水炮工作時，靜水壓的測量位置是在距炮體出水口0.2m處。進口壓強不同時，水炮的射程不同。一般來說，壓強越大，射程應該越遠，但每門炮自身的設計流量是不同的，額定壓強也不同，所以，在各壓強下測得水炮的最遠射程，將有利于確定水炮在額定壓強下的射程。在高處安裝時，炮口向下俯射噴水的情況下，當壓強增加到一定值時，射程的增加情況將會有所緩慢。此外，工作壓強的確定，也有利于消防泵類型和壓強的相應選定。

2.2? 流量

單位時間內噴出水的體積。在確定管道內徑（橫截面積）后，便可大致算出管內水流速度。由于水炮管路內的水流量是可以通過水流指示器確定的，在管道由粗變細的水平放置過程中，粗細兩個管道的截面面積也是確定的，可以通過水力管路入口處的水流速度推出較小口徑的水炮噴嘴處的流速。由伯努利方程知，管道越細，壓強越大，得出水流速度越快。消防炮的流量和過水面積成正比，因此，工作壓強恒定時，噴嘴直徑相同的情況下，流量相同。噴嘴大小與流量是對應的。流量影響水流初速度，進而影響射程遠近。

2.3? 射程

噴嘴出水口到水流落地集中點的距離。根據《固定消防炮滅火系統設計規范》GB50338-2003的規定，水炮的設計射程應符合消防炮布置的要求。室內布置水炮的射程應該按水炮產品射程的指標值計算，室外的應按水炮產品射程指標值的90%計算[2]。對于一個特定的水炮，結構參數已確定，射程主要受工作壓強影響。在水炮工作壓強和流量相同的情況下，射程愈遠，水平保護的范圍越大，越有利于滅火。可知，射程不僅是水炮一個比較重要的水力性能指標，也是其重要的性能優劣評價指標[3]。

2.4? 噴射俯仰角

從大部分試驗資料顯示，噴頭的俯仰角將影響射程。若忽略空氣阻力對射流的影響，噴射水流的運動形式與彈道運動相似。一般情況下，理論上在理想情況仰角噴射時認為45o時獲得最高射高和最遠射程，但是在實際情況下由于空氣阻力等影響，通常在30o到35o之間獲得最佳噴射效果。由于重力的因素，俯仰角的大小還會影響水炮的射程。

2.5? 出口水流速度

在水炮的腔體設計和計算中，流體力學中伯努利方程的應用是十分基礎的。利用伯努利方程進行推導可有常用式，是指在流量相等的情況下，水平放置的管道，由于兩端口徑的不同，速度呈反比例狀態，其中，、為水平放置管道兩端口的流速，A1、A2為水平放置管道兩端口的面積。由于水炮噴射時最終出口的流速是無法測得的，最多只能改變入口管路設計，增加流量表測得入口處的管道內流速，然后根據伯努利方程結合能量方程可以基本計算出水流的出口速度。對于初速度可以由較為細致的計算來估計。

根據參考文獻[4]可知，實際水流的伯努利方程為：

公式中，hw為因粘性摩擦而產生的流體流動時的能量損耗，a1、a2為修正系數，Zin為進口處動能，Zout為出口處動能，Pin為進口處壓強，Pout為出口處壓強，Vin為進口處流速，Vout為出口處流速，為流體密度，g為重力加速度。由伯努利方程知，初始的壓強值越大，出口處水流速度越大，繼而在可調的合理的壓強范圍內射程一般也相應較大，在一定程度上會提高消防水炮的射流性能。但是若壓強越來越大，在噴嘴處也會有較大的壓強，使水流高速噴出，對消防水炮各壁面的壓強也增大，加大了消防水炮工作的不穩定程度。當進口壓強增大到一定程度時，消防水炮的出口速度增加的程度呈減小趨勢。

2.6? 安裝高度

《自動跟蹤定位射流滅火系統設計規范》中列出了關于三種滅火裝置的性能參數說明，分類對最小和最大安裝高度進行了相關規定，此規定可作為在實際工程應用中針對安裝高度選擇滅火裝置的基礎性依據。通過查閱其中不同裝置的性能參數[5]，發現對于自動消防水炮，當其額定流量在20～50L/s、額定工作上限在1.0MPa時，安裝高度在6～30m;額定流量在60～80L/s、額定工作上限在1.2MPa時，安裝高度也在6～30m。對于噴射型自動射流滅火裝置，當其額定流量為2L/s、2.5L/s，額定工作上限均在0.8MPa時，射程分別為不低于8m、10m，安裝高度在3～8m;額定流量在5L/s、8L/s，額定工作上限均在0.8MPa時，射程分別為不低于20m、25m，安裝高度在3～20m;額定流量在10L/s、13L/s、16L/s，額定工作上限均在0.8MPa時，射程分別為不低于30m、35m、40m，安裝高度在6～30m。不同的滅火裝置，由于其性能參數的不同，其最小和最大安裝高度也是有一定的范圍。在一定程度上，安裝高度越高，其水射流軌跡受到重力、阻力等因素的影響更明顯，射流軌跡接近地面的水流降落部分，也是水流速度增快的階段，其接近地面部分的射流軌跡可能更類似于直線。

3? 主要結構參數對射流狀態的影響

現今，自動尋的消防水炮系統主要適用于凈空高度大于8m，倉庫內凈空高度大于12m的空間場所[6]。在水炮進行噴射時，由于其出口壓強大、噴射速度快、外場射程遠，炮體主流道通徑、噴嘴直徑、整流器、后座力等結構參數，對射流狀態也有影響。

3.1? 炮體主流道通徑

炮體主流道通徑是由水力損失、結構功能等因素決定，如圖3所示。一般情況下，水炮的主流道通徑確定的話，過水能力和結構尺寸也大致可以確定。

消防水炮炮身的幾何形狀對水炮的影響也較為關鍵，選擇合適的消防水炮通徑尺寸，能使炮體內部結構更合理，使水炮內部的壓強和能量損失減小。消防水炮的出口速度隨著通徑增大而逐漸增大，通徑增大到一定值時，在彎管處可能會出現擾動和攪拌，產生旋渦、尾流等現象，其紊流程度變大，能量損失加大，會影響消防水炮的出口速度。消防水炮的通徑較大，水炮也承受較大壓強。

3.2? 噴嘴直徑

壓強相同、噴嘴直徑在合理范圍時，噴嘴直徑越大，流量越大。噴嘴直徑指其出口處等截面的直徑，如圖4所示，反映噴嘴在壓強一定時，噴嘴通過水流的工作能力。

通常，射程、噴嘴直徑與工作壓強有關。當壓強過大時，水流的運動速度大，所受空氣阻力大，噴射過程中水流易變化為細小水滴散開，射程相對減小。所以，壓強增至一定程度，再繼續增壓，可能會增大霧化程度，射程不再成比例增加。為了增加射程，若想得到理想效果，僅增大工作壓強或僅改變噴嘴直徑是不行的，還要考慮水炮的消耗功率N=ρQH，在一定的功率下，只有工作壓強和流量比例合理才能獲得最佳射程。

3.3? 整流器和后座力

通常，給了一定的壓強，水流所具有的動能就增大，射程就會變遠。若湍流程度越低，水流分裂較晚，會影響射程。在消防水炮的設計過程中，通常考慮要減小出水口的湍流程度，在消防水炮的入口端增加整流裝置會達到降低湍流程度的目的。另外，后座力的大小也是影響水炮工作性能好壞的關鍵因素[7]。根據運動學的動量守恒定律，水流在壓強下噴出會同時帶走一部分動能，消防水炮就會有一個相反的動量，以保持水炮的動量平衡。而且，如果設計不合理，或者選擇結構參數不當，也會影響水炮的后座力，造成水炮工作不穩定。另外，后座力的影響，常常也會干擾炮頭安裝的定位器的精確，在實際工程安裝時應視具體環境而調整。

4? 射流軌跡的誤差分析

在水炮進行噴射時，由于其出口壓強大、噴射速度快、外場射程遠，在對遠處火源進行定位噴射時，其水流的形態對于噴射射程等性能有著直接的影響，自動水炮的俯仰角調節度數以及水泵工作下的實際工作壓強都會影響水炮噴射的流量及射程大小。當消防水炮在進行定位噴射時，其性能參數如工作壓強、俯仰角等的變化對噴射過程中水炮的射程、射高等也都有一定影響。當前常用的自動定位噴射方式主要有兩種：一是發現火源后，通過探測定位，確定火源的相應坐標，對準火源直射;二是建立自動水炮射流參數的數據庫，確定火源坐標后，去查詢后臺數據庫，得到自動炮需要調整到的俯仰角度[8]。現有自動消防炮為了實現自動定位噴射，都建有后臺噴射數據庫，但是獲得數據的試驗方案和計算方法各不相同，數據庫的完善需要經常性地根據實際應用去不斷更新與改進，計算的立足點不同，誤差也大小不一，如何在大量試驗中總結規律與經驗，優化試驗方案，完善數據庫，使其真正地貼近實際噴射、提高噴射精度也成為對各水炮廠家產品的重要評判標準。

5? 結語

通過對自動尋的消防水炮射流狀態的影響因素進行分析，有利于為火源空間精確定位提供控制參考依據，進一步對大空間噴水系統的實際效能進行優化，以適應現實火災防控需求。

參考文獻：

[1]公安部四川消防研究所，中國科技大學火災科學國家重點實驗室.自動消防炮滅火系統技術規程[M].北京：中國計劃出版社，2008.

[2]GB 50338-2003.固定消防炮滅火系統設計規范[S].

[3]萬峰.消防水炮射流軌跡與定位性能分析[D].上海：上海大學，2008.

[4]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5]中華人民共和國公安部.自動跟蹤定位射流滅火系統設計規范（報批稿）[M].北京：中國計劃出版社，2011.

[6]狄春鋒.自動尋的智能消防炮在廈門西站的應用[J].科技創新與生產力，2012（3）：88-89+92.

[7]朱暢.穩壓型多功能消防水槍的研制和細水霧滅火實驗[D].杭州：浙江大學，2005.

[8]萬峰，陳曉陽，閔永林，王偉民.消防炮水射流軌跡擬合方程[J].消防科學與技術，2007（6）：656-658.

Discussion on the factors influencing the jet state

of large space automatic homing fire water monitor

Tian Xueyuan

（ Nanyang Municipal Fire and Rescue Detachment of Henan Province， Henan Nanyang 473000）

Abstract：With the increase of large space buildings， the effective prevention and suppression of initial fire is particularly important. The automatic homing fire water monitor has the advantages of fast response， accurate positioning and high fire extinguishing efficiency， which can effectively inhibit the spread of initial fire. This paper introduces the technical development status of the automatic homing fire water monitor， and analyzes the influence of the water monitor parameters on the water jet to ensure that the jet position is more accurate and effective in dealing with large space building fires.

Keywords：automatic homing fire water monitor; large space; water jet