消火栓的流量特性數值分析

沈如金

摘 要：由于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臺費用較高。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。

關鍵詞：消火栓；流量特性；數值分析

中圖分類號：TU976+.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0079-02

Abstract： Since hydrants generally have a pump outlet of a larger diameter and two hose outlets connected to fire hoses， the connection status of the outlet is different for different situations of fire. In the design phase， it is expensive to use traditional tests to verify the hydrant， and the cost of building test platform is high. It is necessary and convenient to use CFD software to study the flow characteristics of hydrant.

Keywords： hydrant； flow characteristics； numerical analysis

1 概述

消火栓系統廣泛分布在樓宇內部，建筑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、搭建平臺的費用也高，而且國標對于消火栓流量特性測試規定也比較簡單，只是規定了對消火栓的一個出口進行流量測試[1]。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于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復雜的流量特性分析已成為趨勢。

2 流量特性

2.1 流量系數（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，流量系數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℃溫度范圍的水流經閥門，兩端壓差為100kPa時，以m3/h計的流量數值[2]。

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[1]，模型與實物的比例為1：1。

根據李翠梅等的計算[3]，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干擾，分析用消火栓的上下游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于解決該工程問題。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，并分別建立模擬計算的流體模型，導入分析軟件，并通過軟件監控各主要參數的收斂情況，由于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，如果趨于收斂就繼續計算，否則調整計算網格模型精度或者邊界條件，使計算的結果趨向于實際的工程經驗。

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云圖。

可以看出：

（1）在只有一個DN65出口情況下的流速最快，對應的壓力也最高，很顯然只接一個DN65出口的消防水帶更有利于應對高層火情。

（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于閥座處。僅僅接通DN65出口時，速度最大值接近于栓口位置。

流動特性分析：

該閥的理論計算的流量系數Kv以及ζ值與消火栓出口的開啟狀態的矩陣表對應的模擬結果如下表1（表中ζ計算的名義流速時以DN150作為計算基準）。

由表1可以看出，

（1）流通量最小值為只接通一個DN65出口，最大值為出口全部接通。

（2）當DN150出口接通時，DN65出口的接通與否，最大流量的變化區間都不大，其相差約20%。

（3）一個DN150出口的接通的流量接近于2個DN65出口接通的2倍。

6 結束語

本文對一只口徑為DN150的消火栓的不同出口接通情況下進行了數值模擬分析，得出了不通情況下的消火栓的流速和壓力分布，并計算了對應情況下的Kv和ζ值。可以作為相關選用消火栓時作參考。

由于本文模擬的內在介質為常溫水，而且市政消火栓的入口一般流速不大，所以模擬時沒有將空氣作為第二相，如果模擬的內部介質為泡沫等，需要采用多相流分析。

目前消火栓的相關國標[1][4][5][6]測量消火栓的流通能力所用計量單位為[L/S]，美標采用的是gpm（每分鐘通過的加侖數）[7]，根據閥門類的經驗，采用Kv和Cv值，考慮兩端壓差情況下，相對來說更容易測量和直觀的比較。

參考文獻：

[1]GB50974-2014.消防給水及消火栓系統技術規范[S].

[2]GB/T 30832-2014.閥門流量系數和流阻系數試驗方法[S].

[3]李翠梅.對室內消火栓滅火系統栓口出水壓力的探討[J].桂林工學院學報，2005，25（4）.

[4]GB12514.4-2006.消防接口[S].

[5]GB4452-2011.室外消火栓[S].

[6]GB3445-2005.室內消火栓[S].

[7]NPFA14，Standard for the Installation of Standpipe and Hose Systems（2007 Edition）[S].