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消火栓的流量特性數值分析

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消火栓的流量特性數值分析

發布日期:2019-02-25 00:00 來源:http://www.dontstophealing.com 點擊:

 由於消防炮廠家消火栓一般擁有一個直徑較大的泵出水口(pump outlet)以及兩個接消防水帶的出口(hose outlet),應對不同的火情,出水口的接通狀況都是不同的,在設計階段采用傳統的試驗來驗證消火栓顯得既貴且搭建測試平台費用較高。采用CFD軟件對消火栓內部的流動特性進行研究顯得有其必要性和方便性。


  1 概述


  消火栓係統廣泛分布在樓宇內部,建築物室外等需要緊急消防的場合。傳統的流量測試方法耗時長、搭建平台的費用也高,而且國標對於消火栓流量特性測試規定也比較簡單,隻是規定了對消火栓的一個出口進行流量測試。而事實上普通的消火栓一般擁有一個介質入口和一個直徑較大的泵出口(pump outlet)和兩個直徑相對較小的接消防水帶的出口(hose outlet),不同的栓口接通情況對應於不同的消防著火嚴重程度,僅僅測量一個消防軟帶的出口的流量特性,顯然是無法知悉整個消火栓的流量特性。隨著計算流體力學技術的發展,利用計算機輔助的流動數值模擬技術進行複雜的流量特性分析已成為趨勢。


  2 流量特性


  2.1 流量係數(Flow coefficient)Kv


  本文通過閥門行業通用的Kv值來直觀體現消火栓的流量特性。為了計算閥門的流通能力,流量係數Kv(1)是被廣泛使用的用來選用合適的閥門規格和管道直徑,其定義為5℃~40℃溫度範圍的水流經閥門,兩端壓差為100kPa時,以m3/h計的流量數值。



  式中:


  qv:流量[m3/h];


  ρ:水的密度[kg/m3];


  △Pv:閥內壓損[bar];


  ρ0:15℃水的密度[kg/m3];


  2.2 流阻係數(Flow resistance coefficient)ζ(Zeta)


  閥門壓力損失的一個無量綱常數。


  


  式中:


  △Pv:閥內壓損[bar];


  u:水的名義流速[m/s];


  2.3 壓頭損失


  消火栓的實際壓頭損失公式為:


 


  式中:


  △Pv栓內壓損[bar];


  △Pv+t栓內壓損加管道壓損[bar];


  △Pt單純管道壓損[bar]


  3 研究過程


  3.1 研究用模型


  本文所用的消火栓模型進口直徑為150mm,和一個直徑150mm和兩個直徑65mm的栓口,模型與實物的比例為 1:1。


  根據李翠梅等的計算,為減少管道對分析的影響,避免出口附近回旋渦流對結果精度的幹擾,分析用消火栓的上下遊的管道長度都定為出口處口徑的20倍。


  閥體內部流動的流體介質采用不可壓縮的流體——常溫水。


  3.2 分析邊界條件


  根據計算消火栓體內腔雷諾數,可以得出其湍流模式理論可用於解決該工程問題。針對該消火栓的研究需要,同時為方便分析的收斂,采用軟件中的k-ε湍流模型,采用管道入口處采用一定的速度入口,管道出口處采用壓力出口來對該消火栓的不同出口狀態進行模擬。


  4 流動特性研究


  通過消火栓模型相對應的出口狀況,建立對應的實體模型,並分別建立模擬計算的流體模型,導入分析軟件,並通過軟件監控各主要參數的收斂情況,由於邊界條件采用的是速度入口和壓力出口,在軟件中采取對入口監控壓力變化,對出口監控流量變化,如果趨於收斂就繼續計算,否則調整計算網格模型精度或者邊界條件,使計算的結果趨向於實際的工程經驗。


  5 壓力分布


  圖1顯示了在速度入口為4[m/s]情況下,模擬分析的壓力分布雲圖。


  可以看出:


  (1)在隻有一個DN65出口情況下的流速最快,對應的壓力也最高,很顯然隻接一個DN65出口的消防水帶更有利於應對高層火情。


  (2)當DN150的泵出口接通的情況下,流速和壓力都下降了一個數量級。


  (3)當DN150的泵出口接通時,速度最大值出現的部位接近於閥座處。僅僅接通DN65出口時,速度最大值接近於栓口位置。

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