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ξ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 reducer 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 the 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。Www.11665.COm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。

图1　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(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：

图3　消火栓检测装置示意图

图4　试验装置示意图

z₁+p₁/γ+v₁²/2g
=z₂+p₂/γ+v²₂/2g+σδh_w

忽略位置高差，即z₁=z₂；又因v₁=v₂=v,p₂=p_at（p_at为大气压力），则上式为：

(p₁-pat)/γ=σδh_w

式中γ代表水的重度；(p₁-p_at)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=σδh_w

其中σδh_w=δh_ξ(δh_ξ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：

δh_ξ=ξ×(v²/2g)

可导出局部阻力系数：ξ=δh_ξ/(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。

图5　试验装置系统图

　　(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ξ_i=(p_表/γ)/(v²/2g)。(5)以同一管径d和孔径d为一组，绘出ξ_i～re关系曲线。找出不少于3个处于阻力平方区的ξ_i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)。

图6　ξ～re关系曲线

图7　ξ～β关系曲线

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ξ_i～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h_k(×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

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