消火栓的流量特性数值分析

　由于消防炮厂家消火栓一般拥有一个直径较大的泵出水口(pump outlet)以及两个接消防水带的出口(hose outlet)，应对不同的火情，出水口的接通状况都是不同的，在设计阶段采用传统的试验来验证消火栓显得既贵且搭建测试平台费用较高。采用CFD软件对消火栓内部的流动特性进行研究显得有其必要性和方便性。

　　1　概述

　　消火栓系统广泛分布在楼宇内部，建筑物室外等需要紧急消防的场合。传统的流量测试方法耗时长、搭建平台的费用也高，而且国标对于消火栓流量特性测试规定也比较简单，只是规定了对消火栓的一个出口进行流量测试。而事实上普通的消火栓一般拥有一个介质入口和一个直径较大的泵出口(pump outlet)和两个直径相对较小的接消防水带的出口(hose outlet)，不同的栓口接通情况对应于不同的消防着火严重程度，仅仅测量一个消防软带的出口的流量特性，显然是无法知悉整个消火栓的流量特性。随着计算流体力学技术的发展，利用计算机辅助的流动数值模拟技术进行复杂的流量特性分析已成为趋势。

　　2　流量特性

　　2.1　流量系数(Flow coefficient)Kv

　　本文通过阀门行业通用的Kv值来直观体现消火栓的流量特性。为了计算阀门的流通能力，流量系数Kv(1)是被广泛使用的用来选用合适的阀门规格和管道直径，其定义为5℃~40℃温度范围的水流经阀门，两端压差为100kPa时，以m3/h计的流量数值。

　　式中：

　　qv：流量[m3/h];

　　ρ：水的密度[kg/m3];

　　△Pv：阀内压损[bar];

　　ρ0：15℃水的密度[kg/m3];

　　2.2　流阻系数(Flow resistance coefficient)ζ(Zeta)

　　阀门压力损失的一个无量纲常数。

　　式中：

　　△Pv：阀内压损[bar];

　　u：水的名义流速[m/s];

　　2.3　压头损失

　　消火栓的实际压头损失公式为：

　　式中：

　　△Pv栓内压损[bar];

　　△Pv+t栓内压损加管道压损[bar];

　　△Pt单纯管道压损[bar]

　　3　研究过程

　　3.1　研究用模型

　　本文所用的消火栓模型进口直径为150mm，和一个直径150mm和两个直径65mm的栓口，模型与实物的比例为 1：1。

　　根据李翠梅等的计算，为减少管道对分析的影响，避免出口附近回旋涡流对结果精度的干扰，分析用消火栓的上下游的管道长度都定为出口处口径的20倍。

　　阀体内部流动的流体介质采用不可压缩的流体——常温水。

　　3.2　分析边界条件

　　根据计算消火栓体内腔雷诺数，可以得出其湍流模式理论可用于解决该工程问题。针对该消火栓的研究需要，同时为方便分析的收敛，采用软件中的k-ε湍流模型，采用管道入口处采用一定的速度入口，管道出口处采用压力出口来对该消火栓的不同出口状态进行模拟。

　　4　流动特性研究

　　通过消火栓模型相对应的出口状况，建立对应的实体模型，并分别建立模拟计算的流体模型，导入分析软件，并通过软件监控各主要参数的收敛情况，由于边界条件采用的是速度入口和压力出口，在软件中采取对入口监控压力变化，对出口监控流量变化，如果趋于收敛就继续计算，否则调整计算网格模型精度或者边界条件，使计算的结果趋向于实际的工程经验。

　　5　压力分布

　　图1显示了在速度入口为4[m/s]情况下，模拟分析的压力分布云图。

　　可以看出：

　　(1)在只有一个DN65出口情况下的流速最快，对应的压力也最高，很显然只接一个DN65出口的消防水带更有利于应对高层火情。

　　(2)当DN150的泵出口接通的情况下，流速和压力都下降了一个数量级。

　　(3)当DN150的泵出口接通时，速度最大值出现的部位接近于阀座处。仅仅接通DN65出口时，速度最大值接近于栓口位置。