典型噴頭響應(yīng)時(shí)間工程計(jì)算模型研究

1、典型噴頭響應(yīng)時(shí)間工程計(jì)算模型研究2021年12月第25卷第12期武警學(xué)院學(xué)報(bào)JOURNALOFCHINESEPEOPLESARMEDPOLICEFORCEACADEMYDec.20o9V01.25No.12消防理論典型噴頭響應(yīng)時(shí)間工程計(jì)算模型研究陳穎(武警學(xué)院消防工程系,河北廊坊065000)摘要:利用DETACT12軟件,計(jì)算了啟動(dòng)溫度為68C的噴頭在不同火源增長(zhǎng)速率,不同噴頭安裝高度,不同環(huán)境溫度,不同反響時(shí)間常數(shù)和距火源不同距離等條件下噴頭的啟動(dòng)時(shí)間.并且擬舍得到噴頭啟動(dòng)時(shí)間隨安裝高度,火源增長(zhǎng)速率,環(huán)境溫度,反響時(shí)間常數(shù)和徑向距離等相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并和有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了比擬.通過(guò)比擬

2、不同的影響因素,說(shuō)明噴頭安裝高度是影響噴頭啟動(dòng)時(shí)間的最重要的因素,其次分別為火源增長(zhǎng)速率,噴頭距火源的徑向距離,環(huán)境溫度和反響時(shí)間常數(shù).關(guān)鍵詞:噴頭;啟動(dòng)時(shí)間;DETACT12中圖分類號(hào):TU998.1;D631.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10082077(2021)120005050引言建筑火災(zāi)發(fā)生后,如果能有效抑制初起火災(zāi),將顯著減少火災(zāi)所造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失.自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)是一種能夠有效控制建筑物初起火災(zāi)并且可以自動(dòng)運(yùn)行的消防設(shè)施,其滅火效率高,可靠性強(qiáng),適用范圍廣,環(huán)境污染小,越來(lái)越多的應(yīng)用于各類建筑,特別是對(duì)高層,超高層,工業(yè),商業(yè),倉(cāng)儲(chǔ)等建筑,其應(yīng)用廣泛.目前,國(guó)內(nèi)外各相關(guān)建

3、筑設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)中都越來(lái)越詳細(xì)的規(guī)定了自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的安裝和使用.灑水噴頭是自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的主要組成部件,也是影響整個(gè)噴淋系統(tǒng)效率的關(guān)鍵部件.噴頭的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是熱響應(yīng)性能,它決定火災(zāi)發(fā)生后噴頭的動(dòng)作時(shí)間.火災(zāi)發(fā)生后,噴頭如果啟動(dòng)太慢,將控制不住已經(jīng)擴(kuò)大的火災(zāi);如果啟動(dòng)的太快,那么啟動(dòng)的噴頭數(shù)量必然增多,將造成火災(zāi)水漬損失增大,同時(shí)會(huì)使火源附近的噴水量減少,從而影響滅火性能.另一方面,在性能化設(shè)計(jì)的火源大小設(shè)置中,往往把第一個(gè)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間作為選取火源大小的依據(jù).因此,研究噴頭的響應(yīng)特性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者對(duì)噴頭的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了研究.A.K.Gupta,BukowshiR

4、W,BudnickEK等根據(jù)噴頭的RTI,頂棚射流的溫度和速度以及噴頭的啟動(dòng)溫度,得到噴頭啟動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)公式.很多科研機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了不少模型預(yù)測(cè)噴頭的啟動(dòng),如美國(guó)NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology)開(kāi)發(fā)的FPETOOL,澳大利亞CSIRO開(kāi)發(fā)的FIRECALC_5J,EvansDD開(kāi)發(fā)的DETACT_6等.近來(lái),香港理工大學(xué)w.K.Chow教授和中國(guó)科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張村峰博士都對(duì)噴頭的響應(yīng)特性進(jìn)行了研究,并得到了噴頭啟動(dòng)時(shí)間與火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù),噴頭安裝高度,環(huán)境溫度及噴頭響應(yīng)時(shí)間常數(shù)之間的關(guān)系式.前人的研究雖得出了噴頭動(dòng)作時(shí)間的計(jì)算

5、方法,但我們看到,w.K.Chow教授模型中沒(méi)有考慮噴頭距火源的徑向距離的影響,這樣得到的啟動(dòng)時(shí)間比實(shí)際值偏小.張村峰博士在模型中把火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)與噴頭安裝高度及環(huán)境溫度分別放在一起考慮,這些因素并沒(méi)有一定的耦合關(guān)系,因此其模型不能正確反響各個(gè)不同因素對(duì)噴頭啟動(dòng)時(shí)間的影響.利用DETACT12軟件,從火災(zāi)中影響噴頭動(dòng)作收稿日期:202107一l6作者簡(jiǎn)介:陳穎(1976一),女,天津人,講師,平安技術(shù)與工程專業(yè)在讀碩士研究生.?5?武警學(xué)院學(xué)報(bào))2021年第12期(總第163期)?消防理論?的諸多因素出發(fā),研究了環(huán)境溫度,火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù),噴頭響應(yīng)時(shí)間指數(shù),噴頭安裝高度,噴頭距火源徑向距離對(duì)噴頭啟動(dòng)

6、時(shí)間的影響,并采用遺傳算法進(jìn)行多參數(shù)擬合,得到了噴頭啟動(dòng)時(shí)問(wèn)的工程計(jì)算模型,并與w.K.Chow教授的模型,張村峰博士的模型進(jìn)行了比擬.最后利用該模型分析了不同因素對(duì)噴頭啟動(dòng)時(shí)間的影響大小.1噴頭響應(yīng)時(shí)間1.1噴頭熱平衡方程噴頭的熱平衡方程式可用下式表示J:hA(re)mchA1(1)p-gLl式中,ra為感溫玻璃球的質(zhì)量,kg;c.為感溫玻璃球的比熱,J?(kg?oC);為感溫玻璃球溫度,oC;h為玻璃球外表?yè)Q熱系數(shù),w?(m?K)一;A為感溫玻璃球外表積,m.該式兩邊同除以mc可得:a(re)=hA(g)mc一令:R吖=()u.0.5(2)(3):(一(4)式中,為感溫玻璃球溫度與環(huán)境溫度

7、的溫差,oC;/x為氣體溫度與環(huán)境溫度的溫差,oC;為煙氣速率,m/s;尺為響應(yīng)時(shí)間指數(shù),(In?s);為時(shí)間常數(shù),s.對(duì)式(4)積分得:=Int11_=lLl【)M通過(guò)求解上式,即可得到噴頭熱敏原件(玻璃球)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律.當(dāng)溫度到達(dá)公稱動(dòng)作溫度時(shí),玻璃球破裂,噴頭啟動(dòng).1.2噴頭響應(yīng)時(shí)間工程計(jì)算方法w.K.Chow教授用DETACTT2軟件,模擬得到不同RTI(50600)的噴頭,在不同安裝高度,不同環(huán)境溫度,不同火災(zāi)增長(zhǎng)速率(慢速火,中速火,快速火,超快速火)等條件下,得到噴頭啟動(dòng)的擬合公式:t=0.4H._+0.028RT/?+1.07一0?470.08To一5.58(6)式中,

8、t為噴頭的啟動(dòng)時(shí)間,min;H為安裝噴頭的頂棚高度,in;ot為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù);To為環(huán)境溫度,.?6?張村峰博士也對(duì)噴頭的響應(yīng)特性進(jìn)行了研究,并根據(jù)DETACTT2軟件得到了噴頭啟動(dòng)時(shí)間的關(guān)系式:t=4.6加棚H+1.7R.一0.1675ot.?ro一一25(7)針對(duì)以上兩個(gè)模型存在的問(wèn)題,本文采用軟件DETACT12,對(duì)t火源條件下,啟動(dòng)溫度為68的閉式噴頭,環(huán)境溫度為20C,安裝高度日分別為2,6,10,20m時(shí),噴頭響應(yīng)時(shí)間指數(shù)分別為l5,50,100,300,噴頭距火源徑向距離r分別為0.5,1,3,10m的不同情況下,噴頭的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行了研究,具體結(jié)果見(jiàn)表1.表中St,Mt,Ft,一

9、t分別代表慢速,中速,快速和超快速開(kāi)展t火,其火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)分別為0.002931,0.01127,0.04689,0.1878.通過(guò)對(duì)表1中數(shù)據(jù)的研究,可以發(fā)現(xiàn):噴頭響應(yīng)時(shí)間指數(shù)越大,噴頭的靈敏性越差,動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng).比方對(duì)于慢速火,頂棚高度為2m,噴頭距火源的徑向距離為0.5m時(shí),RTI為15時(shí),噴頭啟動(dòng)時(shí)間為92.6s,RT1為300時(shí),啟動(dòng)時(shí)間為205.2s,比RTI為15的噴頭啟動(dòng)時(shí)間晚112.6s;噴頭安裝高度越高,啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng).比方對(duì)于中速火,噴頭距火源的徑向距離為1m,RTI為15時(shí),當(dāng)噴頭的安裝高度為2m時(shí),噴頭啟動(dòng)時(shí)間為75.5s,當(dāng)噴頭的安裝高度為6m時(shí),啟動(dòng)時(shí)間為158.5

10、s,比安裝高度為2m的噴頭啟動(dòng)時(shí)間晚83s;噴頭距火源中心徑向距離越大,啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng).比方對(duì)于快速火,RTI為50,安裝高度為6m時(shí),當(dāng)噴頭距火源的距離為1m時(shí),噴頭啟動(dòng)時(shí)間為93s,當(dāng)噴頭距火源的距離為3m時(shí),噴頭啟動(dòng)時(shí)間為151.5s,比距火源的距離為1In的噴頭啟動(dòng)時(shí)間晚58.5s;但當(dāng)噴頭安裝高度到達(dá)一定值時(shí),徑向距離對(duì)噴頭啟動(dòng)時(shí)間影響的敏感度降低.采用遺傳算法對(duì)表1中的參數(shù)進(jìn)行擬合,得到了在綜合考慮噴頭響應(yīng)時(shí)間指數(shù),噴頭安裝高度,徑向距離等因素的情況下,噴頭啟動(dòng)時(shí)間的方程(相關(guān)系數(shù)為0.878):t:5.54Rrl?+61.5366+124.6一.?一661.82r.?一0.012(

11、8)本文同時(shí)研究了環(huán)境溫度對(duì)噴頭啟動(dòng)時(shí)問(wèn)的影響.用軟件DETACT12計(jì)算環(huán)境溫度為40C時(shí)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間,具體見(jiàn)表2.從表1和表2的數(shù)據(jù)比擬可以看到,環(huán)境溫度越高,噴頭的啟動(dòng)時(shí)間越快.如對(duì)于中速火,RTI為100的噴頭,頂棚高度為6m,噴陳穎:典型噴頭響應(yīng)時(shí)間工程計(jì)算模型研究頭距火源的距離為3m,當(dāng)環(huán)境溫度為20C時(shí),啟動(dòng)時(shí)間為367.6s,當(dāng)環(huán)境溫度為40C時(shí),啟動(dòng)時(shí)間為258.1s,比環(huán)境溫度為2O97.4450.6450.6574.41061.7252.2252.2340.0564.6140.2140.2l83.1344.52021O9.21809.21809.2974.1974.19

12、74.11581.9489.5489.5489.5840.5283.4283.4283.4455.4表2=40C時(shí)噴頭啟動(dòng)時(shí)間隨RT/,H,r,的變化情況t/s吖日StMtFfUFtr=0.5r=1r=3r=10r=0.5r=1r=3,=10r=0.5r=1r=3r=10r=0.5r=lr165.8165.8l65.8278.92l57.6220.8379.1628.8l00.8133.3223.0397.368.786.4131.9231.148.864.5101.0158.46368.2371.1576.61O43.3205.0208.0357.5593.31l9.9121.2196.23

13、61.291.092.O138.3223.13o010573.2573.2756.71359.0348.3348.3436.0761.3184.3l84.3247.1435.7130.813O.8161.3270.7202162.41262.41262.42O62.1658.8658.8658.8l135.4373.9373.9373.9588.7219.1219.1219.1364.7-7?武警學(xué)院學(xué)報(bào))2021年第l2期(總第163期)?消防理論?2結(jié)果比照分析針對(duì)兩種不同的環(huán)境溫度(20和40),噴頭的RTI取100,噴頭距火源的徑向距離取10m,火災(zāi)增長(zhǎng)為中速火,比擬不同模型的計(jì)算結(jié)果

14、和DE.TACT12計(jì)算值的差異,具體見(jiàn)圖1.從圖1可以看到,本文的工程模型比擬接近不同情況下噴頭的啟動(dòng)時(shí)間,如當(dāng)環(huán)境溫度為2O,噴頭的安裝高度為6m時(shí),DETACT12模型的計(jì)算值為632.8s,公式(8)的計(jì)算值為573.3s,相差59.5s;W.K.Chow模型的計(jì)算值為285.9s,相差346.9s;張村峰模型的計(jì)算值為191.7s,相差441.1s.所以,本文的擬合公式較好的反映了噴頭的實(shí)際啟動(dòng)情況.2E自tO11帖館衛(wèi)衛(wèi)2苫蕾衛(wèi)蕾f擁高度(a)環(huán)境溫度為20C時(shí)噴頭啟動(dòng)時(shí)間1擁尚隧,m(b)環(huán)境溫度為40C時(shí)噴頭啟動(dòng)時(shí)間圖1不同環(huán)境溫度下噴頭啟動(dòng)時(shí)間圖2列出了不同噴頭安裝高度下其它

15、條件變化對(duì)噴頭啟動(dòng)時(shí)間的影響.從圖2可知,噴頭安裝高度是影響噴頭啟動(dòng)時(shí)間的最重要因素,圖2(ad)的每種工況,噴頭啟動(dòng)時(shí)間差異最大達(dá)1000多秒.圖2(a)為環(huán)境溫度30,RTI為100,徑向距離為5m,火源增長(zhǎng)為慢速,中速,快速,超快速等情況下,噴頭啟動(dòng)時(shí)間隨安裝高度的變化.從圖2(a)可以看到,在其它條件相同的情況下,火源增長(zhǎng)速率對(duì)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間影響僅次于噴頭安裝高度.如當(dāng)頂棚高度為8m時(shí),慢速火時(shí)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間為730.4s,?8?快速火時(shí)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間為157.5s,相差572.9s.圖2(b)為環(huán)境溫度30,RTI為100,火源增長(zhǎng)中速,噴頭距火源的徑向距離為2m,5m,10m等情況

16、下,噴頭啟動(dòng)時(shí)間隨安裝高度的變化.從圖2(b)可以看到,在其它條件相同的情況下,徑向距離對(duì)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間影響僅次于火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù).如當(dāng)頂棚高度為6m時(shí),徑向距離為5m時(shí)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間為319.7s,徑向距離為10m時(shí)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間為494.3s,相差174.6s.圖2(c)為環(huán)境溫度30C,火源增長(zhǎng)中速,噴頭距火源的徑向距離為5m,噴頭RTI為20,50,100等情況下,噴頭啟動(dòng)時(shí)間隨安裝高度的變化.從圖2(c)可以看到,在其它條件相同的情況下,RTI對(duì)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間影響最小.如當(dāng)頂棚高度為6m時(shí),R為20時(shí)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間為297.9s,RTI為100時(shí)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間為366s,相差68.1s.

17、圖2(d)為火源增長(zhǎng)中速,噴頭距火源的徑向距離為5m,噴頭RTI為100,環(huán)境溫度為20,30,40等情況下,噴頭啟動(dòng)時(shí)間隨安裝高度的變化.從圖2(d)可以看到,在其它條件相同的情況下,環(huán)境溫度對(duì)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間影響較大.如當(dāng)頂棚高度為6m,環(huán)境溫度為2O時(shí)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間為447.7s,環(huán)境溫度為024681O12141618挖斟項(xiàng)瞞(a)小川火災(zāi)增長(zhǎng)速率時(shí)噴頭啟動(dòng)時(shí)間02468101214161日壁簽O2468101214161824笠頂幅(b)不同徑向距離時(shí)噴頭啟動(dòng)時(shí)間鼬舌唧渤勱蝴伽0亙魯稃E!陳穎:典型噴頭響應(yīng)時(shí)間工程計(jì)算模型研究星魯辱暮瑩嚼西頂棚高度/舶(C)R7/I大啟動(dòng)時(shí)I_貞棚商m

18、(d)不同環(huán)境溫度時(shí)噴頭啟動(dòng)時(shí)fHj圖2不同影響因素時(shí)噴頭啟動(dòng)時(shí)間曲線40時(shí)噴頭的啟動(dòng)時(shí)間為3l9.7s,相差128s.3結(jié)論計(jì)算并分析了啟動(dòng)溫度為68C的噴頭的響應(yīng)時(shí)間,并擬合得到了噴頭響應(yīng)時(shí)間的工程計(jì)算模型.從分析可知,噴頭響應(yīng)時(shí)間指數(shù)越大,噴頭的靈敏性越差,動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng);噴頭安裝高度越高,啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng);噴頭距火源中心徑向距離越大,啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng);但當(dāng)噴頭安裝高度到達(dá)一定值時(shí),徑向距離對(duì)噴頭啟動(dòng)時(shí)間影響的敏感度降低;環(huán)境溫度越高,噴頭的啟動(dòng)時(shí)間越快.針對(duì)擬合得到的工程計(jì)算模型進(jìn)行分析,結(jié)果說(shuō)明,噴頭安裝高度是影響噴頭啟動(dòng)時(shí)間的最重要的因素,其次分別為火災(zāi)增長(zhǎng)速率,噴頭距火源的徑向距離,環(huán)境溫

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