室内消火栓与孔板组合局部阻力系数的测定
详细内容
室内消火栓与孔板组合局部阻力系数的测定
文章摘要：
1试验目的 为了保证各层室内消火栓的出水量不超过规定的流量，以使水枪的反作用力不至于引起消防人员操作困难，按照有关室内消火栓系统设计规范的要求，在消火栓栓口的出水压力超过0。5MPa的消火栓处应设置减压设施。以往的减压孔板是设置在消火栓前的直管段上，近年来出现..
" 消火栓
" 局部
" 阻力
" 试验
详细内容：
1 试验目的
为了保证各层室内消火栓的出水量不超过规定的流量，以使水枪的反作用力不至于引起消防人员操作困难，按照有关室内消火栓系统设计规范的要求，在消火栓栓口的出水压力超过0.5MPa的消火栓处应设置减压设施。目前主要的减压设施是采用减压孔板。以往的减压孔板是设置在消火栓前的直管段上，近年来出现了一种新的孔板安装方式，即将孔板安装在与消火栓出水端相连接的固定接口内(见图1)。这种安装方式已得到了消防主管部门的认可，并通过几年的工程实践证明是可行的。这种安装方式较直管段上法兰夹孔板的安装方式有以下几个优点：第一、不必为孔板单独配置法兰及其它紧固件，安装十分简便；第二、在消火栓口可直接测量孔板的孔径，给工程验收和定期检测带来极大方便；第三、孔板不再长期浸泡于水中，减轻了水对孔板的锈蚀。众所周知，现在使用的孔板水头损失计算公式是直管段上的孔板公式。它是1984年规范组在众多的公式中经过反复计算和比较最终确定选用的，并没有做过专门的试验加以验证，多少显得根据不足。另外，根据水力学的理论，两个局部阻力件的安装间距小于其局部阻力影响长度时，两件间将出现水流状态的相互影响。其组合后的水头损失不再等于它们分别水头损失之和，一般是0.5～3倍的分水头损失之和。因此不能简单地将消火栓与孔板组合局部阻力系数ξ取值为消火栓局部阻力系数ξ栓和孔板局部阻力系数ξ孔之和。
在消防给水系统中所用的减压孔板均为标准孔板，这种孔板单侧倒角，即孔口在水流进口方向是圆柱形，在水流出口方向是扩散圆锥形。这样的孔板要求加工精度高，安装又有方向性，容易装错。为了使加工、安装简便易行，我们此次试验所用孔板改成直通孔、不倒角，用4mm厚的铜板加工而成，并将在国标图中推荐使用此类孔板。
综合上述情况，为了准确地获取消火栓与孔板组合局部阻力系数ξ，以备编入国家建筑标准设计图集，方便设计人员正确选用，我们决定采用试验的手段直接测定，并委托中国水利水电科学研究院冷却水所对此进行了测定。
2 试验的原理、装置及内容
2.1 试验原理
本次试验参照《室内消火栓》国家标准(GB3445-93)中第5.8条的规定进行，受试件(消火栓)前后测压断面距其中心均应为5D(D为直管内径)，如图3，采用压差计测量受试件前后的压力差(即水头损失)。但加上孔板后水头损失很大，因而没有现成的量程合适的压差计。在经过仔细分析后，决定在消火栓出口后不设喷枪，将出水管在距消火栓中心5D处截断，让水自由出流，如图4所示。这样就将试验装置由测压差改成测阀前水压。下面对图4中1-1，2-2断面列伯努力方程，得到：
Z1+P1/γ+v12/2g
=Z2+P2/γ+v22/2g+∑ΔHW
忽略位置高差，即Z1=Z2；又因v1=v2=v,P2=Pat（Pat为大气压力），则上式为：
(P1-Pat)/γ=∑ΔHW
式中γ代表水的重度；(P1-Pat)即为1-1断面上压力表指示压力值，即表压力P表。
则P表/γ=∑ΔHW
其中∑ΔHW=ΔHξ(ΔHξ为消火栓与孔板组合局部水头损失)。
又知，局部水头损失计算公式：
ΔHξ=ξ×(v2/2g)
可导出局部阻力系数：ξ=ΔHξ/(v2/2g)
对本试验，则ξ=(P表／γ)/(v2/2g)
2.2 试验装置
试验设备及管路系统如图5所示。
(1)水泵：采用50DL15-2×8型清水离心泵，扬程98m、流量15m3/h、输入功率11kW。
(2)调节阀：调节试验流量。
(3)电磁流量计：K300型、附GTF300选择件，DN40mm，最大测量值25m3/h。
(4)稳压筒：起稳压及整流作用。为减小管内水压的波动，筒内放置气球及整流蜂窝体，筒径 150mm。
(5)测压孔：距消火栓中心5D(D为受试管内径)处设置测压断面。在该断面上沿管壁圆周相距90°设测压孔4个，孔径1.5mm。4个测压孔与测压管联箱相通，使4孔静压得以均衡。测压管联箱再与压力计联箱相接，可用于4种量程的压力计。
(6)放水箱：0.6m×0.6m×0.55m。箱内摆放消能塑料填料及防溅格栅，使水泵吸水箱与消火栓高速冲击出流隔离，有利于水泵入口水压稳定，最终稳定试验管件内水压。
(7)吸水箱：0.6m×0.6m×0.55m。该箱接受放水箱来水 ，为水泵提供水源。
(8)水柱测压管：长1.2m，读数分辨率1mm。
(9)水银柱U型测压管：长1.0m，读数分辨率1mm。
(10)精密压力表：0.4级，外径 150mm，最大量程0.4MPa、1.0MPa两种。
2.3 试验内容
受试消火栓为SN50和SN65的直角单阀单出口型室内消火栓。选取受试孔板共13块，为寻求局部阻力系数ξ与相对孔径β(相对孔径β=d/D,d为孔板孔径，D为消火栓管内径)的关系，对SN50和SN65两种口径的消火栓配置β值相近的孔板。β值具体取为：0.24、0.27、0.30、0.34、0.43、0.50、0.58，因此共进行13个不同组次试验，以每组平均7个雷诺数(Re)的不同工况计，共需完成近100个不同工况试验。为了考查试验的重复性和纠正个别不妥的数据，研究中还进行了多次重复试验。全部试验实际完成约30组次，210个工况，共采集数据700余个。
另外，因分析试验成果需要，对SN50及SN65消火栓做了局部阻力系数ξ栓的测试。
3 试验数据分析
3.1 数据整理过程
试验中实测数据共5种：管道实际内径D；孔板孔径d；流量Q；阀前压力P表和水温t。
推算过程如下：(1)用分辨率0.02mm的游标卡尺对一个断面的不同角度测3～5次，取算术平均值得出D和d，然后算出相对孔径β=d/D。(2)根据实测Q和D算出管内实际流速v=4Q/πD2。(3)根据实测t查出相应的运动粘度ν，然后算出雷诺数Re=v*D/ν。(4)根据实测t查出相应的水的重度γ，然后算出该工况下的消火栓与孔板组合局部阻力系数ξi=(P表/γ)/(v2/2g)。(5)以同一管径D和孔径d为一组，绘出ξi～Re关系曲线。找出不少于3个处于阻力平方区的ξi值进行统计计算，得出该组的消火栓与孔板组合局部阻力系数ξ值(详见图6)。(6)用13组不同的ξ值，通过数理统计方法找出ξ与β间的关系式(见图7)。
3.2 消火栓的水头损失及局部阻力系数ξ栓
(1)部分实测数据见表1。
(2)对于SN65消火栓，当v=2.5m/s时推算流量Q=8.3L/s，水头损失h栓=9.6kPa。
(3)对于SN50和SN65型消火栓，当v=2.5m/s时，水头损失约为10kPa。这与消防部门的检测结果基本一致。说明本试验方法与(GB3445-93)等效。
表1 部分实测数据
型 号 流量
/L/s 流速
/m/s 水头损失
/kPa ξ栓 SN50 2.5 1.27 2.6 3.1 5.0 2.55 10.3 SN65 2.5 0.75 0.9 3.0 5.0 1.51 3.5
(4)对于SN50和SN65型消火栓，在常用范围(SN50，Q≥2.5L/s；SN65，Q≥5L/s)水头损失约为5kPa。
3.3 局部阻力系数ξ与雷诺数Re的关系
图6为部分组次试验的ξi～Re关系曲线以及实测消火栓ξ栓～Re曲线。从各曲线可明显看出当Re>5×104时，局部阻力系数ξ不再随Re而改变，可视为不变量。对于SN50型消火栓流量2.5L/s时，管内水流雷诺数为6×104；SN65型消火栓流量5L/s时，管内水流雷诺数为9.5×104。可见，消火栓正常工作时均在阻力平方区，局部阻力系数ξ可看成一个常数(试验中均采用Re>105的数据点来计算ξ值)。
3.4 ξ与β的关系
将试验得到ξ与β用不同的方法进行回归计算，并又将它们与多个直管段孔板公式相比较，最后发现它们与给排水专业现用孔板公式吻合得最好。试验结果与用孔板公式的计算结果对比见表2。
表2 试验结果与用孔板公式的计算结果对比
D 53.50 d 14.58 16.10 18.04 23.03 26.99 31.00 β 0.27 0.30 0.34 0.43 0.50 0.58 ξ 474 297 179 65 29 15 ξ孔 457 292 171 60 30 14 (ξ-ξ孔)/ξ孔 0.04 0.02 0.04 0.08 -0.03 0.07 α=ξ/ξ孔 1.04 1.02 1.05 1.08 0.97 1.07 D 67.50 d 16.13 18.15 20.08 23.06 28.99 34.14 39.05 β 0.24 0.27 0.30 0.34 0.43 0.50 0.58 ξ 766 488 316 177 64 33 12 ξ孔 748 457 292 171 60 30 14 (ξ-ξ孔)/ξ孔 0.02 0.06 0.08 0.03 0.06 0.09 -0.16 α=ξ/ξ孔 1.02 1.07 1.08 1.04 1.07 1.10 0.86 注：表中ξ孔=〔1.75β-2(1.1-β2)/(1.175-β2)-1〕2
考虑到给排水专业人员对ξ孔的公式很熟悉，再考虑对工程应用留有安全裕度，消火栓与孔板组合局部阻力系数按下式计算：
ξ=αξ孔 (β<0.5时，α=1.06)
进一步分析试验结果与计算公式的吻合情况，发现当β≥0.5时公式计算值与试验结果偏差较大。
我们认为是由以下两个原因造成的：首先，当β较小时ξ孔远大于ξ栓，即消火栓局部阻力的影响远小于孔板，几乎可忽略不计；而当β较大时ξ孔≤10ξ栓，消火栓局部阻力的作用逐渐显露不能忽略，因此出现偏差较大。其次，当β逐渐增大时，ξ值由几百变至几十，同样的绝对误差将带来逐渐大的相对误差。从实际应用看，当β=0.5，SN50型Q=2.5L/s；SN65型Q=5.0L/s时，组合水头损失约为30～40kPa，这对消火栓系统已经意义不大。因此定义当β<0.5时，上述公式适用，而对β≥0.5的情况不再做进一步的研究。
4 成果应用中的几个问题
4.1 管径及流速
从试验数据分析过程看，管径是实测管内径；流速是由实测管内径推算出来的实际管内平均流速。因此，我们在应用公式计算时也应该代入实际管内径和实际管内流速，才能得出正确的结果。另外，由于试验装置中消火栓前后的管道是一样的，所以流速也是一样的。而实际使用中，消火栓前是管道，消火栓后是水带，它们在实际内径及水力特性上都有很大差别。因此，在应用中要代入消火栓前实际管内径和实际流速。
4.2 公式适用的栓型
室内消火栓种类很多，我们没有进行双栓口消火栓方面的研究，因此成果也不能应用在双栓口消火栓上。对于需减动压的双栓口消火栓建议仍采用直管段减压孔板，并按相应公式计算。试验成果是由SN50和SN65型室内消火栓实测得到的，所以对于这两种消火栓可直接采用推荐公式计算。而对于SN系列其它口径和SNA系列45°单阀单出口室内消火栓，我们认为：当β<0.5时，在ξ中ξ孔占主导地位，ξ孔=f(β)，即栓体略有不同，不会引起ξ值多大变化。因此作为工程计算，推荐公式尚可用在其它单出口室内消火栓的减压孔板计算上。
4.3 用公称直径计算时的偏差
从分析公式入手可知，消火栓与孔板组合水头损失h=1.06〔1.75β-2(1.1-β2)/(1.175-β2)-1〕2×v2/2g;β=d/D,v=4Q/πD2。设公称直径为D公，当D公2/2g增大。而当D公>D时，同样引起ξ增大和v2/2g减小。h=ξv2/2g，这时h的偏差将取决于这两个相反偏差的乘积，偏差幅度将可能小些。然后结合实际数据进行计算分析，管道实际内径按镀锌焊接钢管国标(GB3091-87)中的普通钢管计算，DN50，D=53mm;DN65,D=68mm(这种管过去也称作DN70)。设计流量SN50为2.5L/s；SN65为5.0L/s，计算结果见表3。
由表3看出：当D公>D时，产生正偏差；D公公的偏差大，约为±20%，所以在讨论ξ值时必须代入实际内径。h公的偏差小，一般不大于±5%，因此在工程中计算水头损失时，技术人员在“心中有数”的情况下，也可以用公称直径计算。
表3 SN50、SN65消火栓计算结果
消火栓型号 SN50 SN65 孔径d(mm) 12 24 16 32 实 际
内径 β 0.23 0.45 0.24 0.47 ξ 1009.4 50.1 860.5 41.8 V/m/s 1.13 1.13 1.38 1.38 h/kPa 657.6 32.6 836.1 40.6 公
称
内径 β公 0.24 0.48 0.25
(0.23) 0.49
(0.46) ξ公 792.5 38.1 713.1
(915.6) 33.7
(45.2) V公/m/s 1.27 1.27 1.51
(1.30) 1.51
(1.30) h公/kPa 652.1 31.4 829.7
(836.8) 39.2
(41.3) 偏
差 (ξ公-ξ)/ξ -21.5% -24.0% -17.1%
(+6.4%) -19.4%
(+8.1%) (h公-h)/h -0.8% -3.7% -0.8%
(+0.1%) -3.4%
(+1.7%) 注：表中SN65消火栓中括号内的数据是按DN70计算而来的。
4.4 实用表格
为了给广大工程技术人员提供方便，我们还利用试验得出的公式计算出SN50、SN65两种消火栓与常用孔径的孔板组合后的水头损失值(见表4)，大家可以直接从表中选取相应规格的减压孔板。
表4 消火栓孔板组合水头损失值HK(×104Pa)
消火栓
型 号 管道内径
/mm 流量
/L/s 孔 板 孔 径 /mm 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 SN50 53
2.5
65.76
34.58
19.66
11.85
7.46
4.87
3.26
SN65 68 5 83.61 51.13 32.76 21.80 14.95
10.50
7.53
5.49
4.06
作者单位：北京西外车公庄大街19号 100044 中国建筑标准设计研究所
电话：(010)68393573
参考文献
1 贺益英，等.消火栓+孔板局部阻力系数的试验研究.中国水利水电科学研究院.1997年9月
2 〔苏〕A.M.库尔千诺夫，H.Ф.菲得落夫.给水排水系统水力计算手册.中国建筑工业出版社.1983年7月
作者: ：贾苇车爱晶