室内消火栓与孔板组合局部阻力系数的测定(精)

1、室内消火栓与孔板组合局部阻力系数的测定 作者：贾苇 车爱晶 时间： 2007-11-24 16:25:00 摘要：近年来出现了一种新的消火栓减压孔板安装方式，即将孔板安装在与消 火栓出水端相连接的固定接口内。为准确获取消火栓与孔板组合局部阻力系数 E做了试验，并就其应用进行了讨论。 关键词：室内消火栓 减压孔板 Measurement of Local Resistance Coefficient of Indoor Water Hydrant and Orifice Component Abstract: A new installation of orifice pressure redu

2、cer for indoor fire hydrant, which the orifice has to be located at a fixed joint attached to the outlet of hydrant, has appeared recently. The experiment to determine the exact value of the local resistance coefficient of the hydrant and orifice component has been presented and the application of t

3、he results discussed. 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

4、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 0.53 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 E取值为消火

5、栓局部阻力系数 E栓和孔板局部阻力系数 E孔之和。图 i减压孔板安装图 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，在水流岀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 4mmY厚的铜板加工而成（如图 2 所示），并将在国标图中推荐使用此类孔板。 图 2 减压孔板 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 E，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

6、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，决定在消火栓岀口后不设喷枪，将岀水管在距消火栓中心 5D 处截断，让水自由岀 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： ET 图 3 消火栓检测装置示意图 图 4

7、试验装置示意图 2 Zi+Pi/ 丫 +Vi /2g 2 =Z2+P2/ 丫 +v 2/2g+ 2 A HW 忽略位置高差，即 Zl=Z2；又因 Vl=V2=V,P2 = Pat ( Pat为大气压力)，则上式为： (Pi-Pat)/ 丫 = 2 A HW 式中丫代表水的重度；(Pi-Pat)即为 1-1 断面上压力表指示压力值，即表压力 P表 贝 U P 表 / 丫 = 2 A HW 其中2 A H=A H； ( A H；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： 2 A HE = ； X (v /2g) 2 可导岀局部阻力系数： ；=A HE/(V /2g) 对本试

8、验，则 ；=(P 表/ 丫 )/(V 2/2g) 2.2 试验装置 试验设备及管路系统如图 5 所示。图 5 试验装置系统图 3 (1) 水泵：采用 50DL15-2X8型清水离心泵，扬程 98m 流量 15m/h、输入功率 11kW。 (2) 调节阀：调节试验流量。 3 (3) 电磁流量计：K300 型、附 GTF300 选择件，DN40mm最大测量值 25m/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， 筒径丨 1150mm (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

9、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：O.6mx O.6mx 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：0.6mx 0.6mx 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 QU 150mm 最大量程 0.4MPa、1

10、.0MPa 两种。 2.3 试验内容 受试消火栓为 SN50 和 SN65 的直角单阀单岀口型室内消火栓。选取受试孔板共 13 块，为 寻求局部阻力系数 E与相对孔径B (相对孔径B =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 B值相近的孔板。B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

11、 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 E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 o 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 35 次，取算 术平均值得岀 D和 d，然后算岀相对孔径 B =d/D o根据实测 Q 和 D算岀管内实际流速 v=4Q/ n D2o根据实测 t 查岀相应的运动粘度 v ,然后算岀雷诺数 Re=v*D/ v。根据实测 t 查岀相应的

12、水的重度 丫，然后算岀该工况下的消火栓与孔板组合局部阻力系数 E i=(P表 / 丫)/(v 2/2g)。(5)以同一管径 D 和孔径 d 为一组，绘岀 Re 关系曲线。找岀不少于 3 个处 于阻力平方区的 Ei值进行统计计算，得岀该组的消火栓与孔板组合局部阻力系数 E值(详见 图 6)。(6)用 13 组不同的E值，通过数理统计方法找岀 E与B间的关系式(见图 7)。 图 6 ERe 关系曲线 图 7 EB关系曲线 3.2 消火栓的水头损失及局部阻力系数 E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=

13、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 流速 水头损失1 E栓 /L/s /m/s /kPa 1 SN50 0 1.27 2.6 3.1 5.0 2.55 10.3 SN65 25 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 (S N50, Q 2.5L/S ; SN65, Q 5L/s)水头损失约为 5kPa。 3.3 局部阻力系数匕与

14、雷诺数 Re 的关系 图 6 为部分组次试验的 E iRe 关系曲线以及实测消火栓 E栓Re 曲线。从各曲线可明显 看岀当 Re5X 104时，局部阻力系数 E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 6X 104； SN65 型消火栓流量 5L/S 时，管内水流雷诺数为 9.5 X 104。可见，消火栓正常工作时均在阻力平方区，局部阻力系数 E可看成一个常数(试验 中均采用 Re105的数据点来计算 E值)。 3.4 E与B的关系 将试验得到E与B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.