浅谈大空间自动寻的消防水炮射流状态的影响因素

田雪圆

摘要：随着大空间建筑的增多，初期火灾的有效防范和抑制尤其重要。自动寻的消防水炮响应快、定位准确、灭火高效，可有效抑制初期火灾蔓延。通过介绍自动寻的消防水炮的技术发展现状，分析水炮参数对射流的影响，保证其射流位置更加精准、有效处置大空间建筑火灾。

关键词：自动寻的消防水炮;大空间;射流

随着科技的发展，现代建筑更新的步伐也随之加快，建筑结构越来越复杂，空间跨度逐渐加大、空间高度不断上升，这使得人们对于生活安全的忧患意识以及安全需求也在逐渐增强。本文从自动寻的消防水炮的性能入手，分析影响自动寻的消防水炮射流状态的主要因素。

1  国内常用的自动寻的消防水炮

现今，随着各类新型建筑消防需求的增多，智能型消防水炮的技术也在不断创新，以其更先进有效的科技作为支撑，进一步去提高智能水炮在大空间建筑，尤其是一些化工企业、油库、大型会馆等特殊场所的应用安全，这将有助于更有效地抑制初期火灾的蔓延。通过对国内一些消防产品进行查阅，红外双波段消防水炮和图像探测型消防水炮应用较为普遍，尤其结合红外技术和光截面探测技术后，对于火源的探测发现会更加及时。一些红外消防炮产品（如图1、图2所示），发现火情后，定位喷水较快，通常时间不超过30s，而且产品集工作模块、自动控制、手动控制、图像监测等为一体。自动寻的消防水炮响应迅速、定位准确、灭火高效，可有效抑制初期火灾蔓延。由于其流量大、射程远、自动化程度较高，研究其射流轨迹、保证其射流位置精准，具有较强的现实意义和实用价值。如何选用紫外和红外探测器、优化现场控制模块、精准水平和垂直定位功能等，成为自动寻的水炮精确性的重要参考内容。

在较近的射程范围内，水炮完成扫描后，其炮口是直线对准火源的，此时，炮口与竖直方向的夹角（以下简称俯仰角）较小，水射流轨迹近似直线，基本不用调试就能直接满足喷射要求;当火源较远时，水炮所需达到的射程较远。俯仰角和射程在大于一定值时，水流在喷射到一定点后由于重力、阻力等影响，呈不规则抛物线下落。

2  主要性能参数对射流状态的影响

自动消防水炮以水为灭火剂，能自动完成火灾探测、火灾报警、火源瞄准和喷射灭火剂灭火[1]。自动寻的智能消防炮系统在探火性能上较为及时准确，喷水强度也很大，重要的是其保护面积较大、灭火能力较强、灭火效率较高。水炮的性能参数，如工作压强、流量、俯仰角、安装高度等，不同的性能参数对射流轨迹的影响也不同。

2.1  工作压强

水炮工作时，静水压的测量位置是在距炮体出水口0.2m处。进口压强不同时，水炮的射程不同。一般来说，压强越大，射程应该越远，但每门炮自身的设计流量是不同的，额定压强也不同，所以，在各压强下测得水炮的最远射程，将有利于确定水炮在额定压强下的射程。在高处安装时，炮口向下俯射喷水的情况下，当压强增加到一定值时，射程的增加情况将会有所缓慢。此外，工作压强的确定，也有利于消防泵类型和压强的相应選定。

2.2  流量

单位时间内喷出水的体积。在确定管道内径（横截面积）后，便可大致算出管内水流速度。由于水炮管路内的水流量是可以通过水流指示器确定的，在管道由粗变细的水平放置过程中，粗细两个管道的截面面积也是确定的，可以通过水力管路入口处的水流速度推出较小口径的水炮喷嘴处的流速。由伯努利方程知，管道越细，压强越大，得出水流速度越快。消防炮的流量和过水面积成正比，因此，工作压强恒定时，喷嘴直径相同的情况下，流量相同。喷嘴大小与流量是对应的。流量影响水流初速度，进而影响射程远近。

2.3  射程

喷嘴出水口到水流落地集中点的距离。根据《固定消防炮灭火系统设计规范》GB50338-2003的规定，水炮的设计射程应符合消防炮布置的要求。室内布置水炮的射程应该按水炮产品射程的指标值计算，室外的应按水炮产品射程指标值的90%计算[2]。对于一个特定的水炮，结构参数已确定，射程主要受工作压强影响。在水炮工作压强和流量相同的情况下，射程愈远，水平保护的范围越大，越有利于灭火。可知，射程不仅是水炮一个比较重要的水力性能指标，也是其重要的性能优劣评价指标[3]。

2.4  喷射俯仰角

从大部分试验资料显示，喷头的俯仰角将影响射程。若忽略空气阻力对射流的影响，喷射水流的运动形式与弹道运动相似。一般情况下，理论上在理想情况仰角喷射时认为45º时获得最高射高和最远射程，但是在实际情况下由于空气阻力等影响，通常在30º到35º之间获得最佳喷射效果。由于重力的因素，俯仰角的大小还会影响水炮的射程。

2.5  出口水流速度

在水炮的腔体设计和计算中，流体力学中伯努利方程的应用是十分基础的。利用伯努利方程进行推导可有常用式，是指在流量相等的情况下，水平放置的管道，由于两端口径的不同，速度呈反比例状态，其中，、为水平放置管道两端口的流速，A1、A2为水平放置管道两端口的面积。由于水炮喷射时最终出口的流速是无法测得的，最多只能改变入口管路设计，增加流量表测得入口处的管道内流速，然后根据伯努利方程结合能量方程可以基本计算出水流的出口速度。对于初速度可以由较为细致的计算来估计。

根据参考文献[4]可知，实际水流的伯努利方程为：

公式中，hw为因粘性摩擦而产生的流体流动时的能量损耗，a1、a2为修正系数，Zin为进口处动能，Zout为出口处动能，Pin为进口处压强，Pout为出口处压强，Vin为进口处流速，Vout为出口处流速，为流体密度，g为重力加速度。由伯努利方程知，初始的压强值越大，出口处水流速度越大，继而在可调的合理的压强范围内射程一般也相应较大，在一定程度上会提高消防水炮的射流性能。但是若压强越来越大，在喷嘴处也会有较大的压强，使水流高速喷出，对消防水炮各壁面的压强也增大，加大了消防水炮工作的不稳定程度。当进口压强增大到一定程度时，消防水炮的出口速度增加的程度呈减小趋势。

2.6  安装高度

《自动跟踪定位射流灭火系统设计规范》中列出了关于三种灭火装置的性能参数说明，分类对最小和最大安装高度进行了相关规定，此规定可作为在实际工程应用中针对安装高度选择灭火装置的基础性依据。通过查阅其中不同装置的性能参数[5]，发现对于自动消防水炮，当其额定流量在20～50L/s、额定工作上限在1.0MPa时，安装高度在6～30m;额定流量在60～80L/s、额定工作上限在1.2MPa时，安装高度也在6～30m。对于喷射型自动射流灭火装置，当其额定流量为2L/s、2.5L/s，额定工作上限均在0.8MPa时，射程分别为不低于8m、10m，安装高度在3～8m;额定流量在5L/s、8L/s，额定工作上限均在0.8MPa时，射程分别为不低于20m、25m，安装高度在3～20m;额定流量在10L/s、13L/s、16L/s，额定工作上限均在0.8MPa时，射程分别为不低于30m、35m、40m，安装高度在6～30m。不同的灭火装置，由于其性能参数的不同，其最小和最大安装高度也是有一定的范围。在一定程度上，安装高度越高，其水射流轨迹受到重力、阻力等因素的影响更明显，射流轨迹接近地面的水流降落部分，也是水流速度增快的阶段，其接近地面部分的射流轨迹可能更类似于直线。

3  主要结构参数对射流状态的影响

现今，自动寻的消防水炮系统主要适用于净空高度大于8m，仓库内净空高度大于12m的空间场所[6]。在水炮进行喷射时，由于其出口压强大、喷射速度快、外场射程远，炮体主流道通径、喷嘴直径、整流器、后座力等结构参数，对射流状态也有影响。

3.1  炮体主流道通径

炮体主流道通径是由水力损失、结构功能等因素决定，如图3所示。一般情况下，水炮的主流道通径确定的话，过水能力和结构尺寸也大致可以确定。

消防水炮炮身的几何形状对水炮的影响也较为关键，选择合适的消防水炮通径尺寸，能使炮体内部结构更合理，使水炮内部的压强和能量损失减小。消防水炮的出口速度随着通径增大而逐渐增大，通径增大到一定值时，在弯管处可能会出现扰动和搅拌，产生旋涡、尾流等现象，其紊流程度变大，能量损失加大，会影响消防水炮的出口速度。消防水炮的通径较大，水炮也承受较大压强。

3.2  喷嘴直径

压强相同、喷嘴直径在合理范围时，喷嘴直径越大，流量越大。喷嘴直径指其出口处等截面的直径，如图4所示，反映喷嘴在压强一定时，喷嘴通过水流的工作能力。

通常，射程、喷嘴直径与工作压强有关。当压强过大时，水流的运动速度大，所受空气阻力大，喷射过程中水流易变化为细小水滴散开，射程相对减小。所以，压强增至一定程度，再继续增压，可能会增大雾化程度，射程不再成比例增加。为了增加射程，若想得到理想效果，仅增大工作压强或仅改变喷嘴直径是不行的，还要考虑水炮的消耗功率N=ρQH，在一定的功率下，只有工作壓强和流量比例合理才能获得最佳射程。

3.3  整流器和后座力

通常，给了一定的压强，水流所具有的动能就增大，射程就会变远。若湍流程度越低，水流分裂较晚，会影响射程。在消防水炮的设计过程中，通常考虑要减小出水口的湍流程度，在消防水炮的入口端增加整流装置会达到降低湍流程度的目的。另外，后座力的大小也是影响水炮工作性能好坏的关键因素[7]。根据运动学的动量守恒定律，水流在压强下喷出会同时带走一部分动能，消防水炮就会有一个相反的动量，以保持水炮的动量平衡。而且，如果设计不合理，或者选择结构参数不当，也会影响水炮的后座力，造成水炮工作不稳定。另外，后座力的影响，常常也会干扰炮头安装的定位器的精确，在实际工程安装时应视具体环境而调整。

4  射流轨迹的误差分析

在水炮进行喷射时，由于其出口压强大、喷射速度快、外场射程远，在对远处火源进行定位喷射时，其水流的形态对于喷射射程等性能有着直接的影响，自动水炮的俯仰角调节度数以及水泵工作下的实际工作压强都会影响水炮喷射的流量及射程大小。当消防水炮在进行定位喷射时，其性能参数如工作压强、俯仰角等的变化对喷射过程中水炮的射程、射高等也都有一定影响。当前常用的自动定位喷射方式主要有两种：一是发现火源后，通过探测定位，确定火源的相应坐标，对准火源直射;二是建立自动水炮射流参数的数据库，确定火源坐标后，去查询后台数据库，得到自动炮需要调整到的俯仰角度[8]。现有自动消防炮为了实现自动定位喷射，都建有后台喷射数据库，但是获得数据的试验方案和计算方法各不相同，数据库的完善需要经常性地根据实际应用去不断更新与改进，计算的立足点不同，误差也大小不一，如何在大量试验中总结规律与经验，优化试验方案，完善数据库，使其真正地贴近实际喷射、提高喷射精度也成为对各水炮厂家产品的重要评判标准。

5  结语

通过对自动寻的消防水炮射流状态的影响因素进行分析，有利于为火源空间精确定位提供控制参考依据，进一步对大空间喷水系统的实际效能进行优化，以适应现实火灾防控需求。

参考文献：

[1]公安部四川消防研究所，中国科技大学火灾科学国家重点实验室.自动消防炮灭火系统技术规程[M].北京：中国计划出版社，2008.

[2]GB 50338-2003.固定消防炮灭火系统设计规范[S].

[3]万峰.消防水炮射流轨迹与定位性能分析[D].上海：上海大学，2008.

[4]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[5]中华人民共和国公安部.自动跟踪定位射流灭火系统设计规范（报批稿）[M].北京：中国计划出版社，2011.

[6]狄春锋.自动寻的智能消防炮在厦门西站的应用[J].科技创新与生产力，2012（3）：88-89+92.

[7]朱暢.稳压型多功能消防水枪的研制和细水雾灭火实验[D].杭州：浙江大学，2005.

[8]万峰，陈晓阳，闵永林，王伟民.消防炮水射流轨迹拟合方程[J].消防科学与技术，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