基于射流機理的直流水槍充實水柱特性研究

王萬通

摘要：直流水槍主要應用于室內消火栓以及消防救援隊伍遂行滅火任務，水槍的射流性能決定了其滅火的效能。而水槍的充實水柱Sk這一性能參數是評估直流水槍滅火能力的重要指標。本文分析了水槍充實水柱的影響因素，基于射流機理將水槍射流進行機制劃分，闡述了直流水槍射流水柱的破碎過程，為消防水槍更有效地應用于滅火救援提供理論支撐。

關鍵詞：直流水槍;射流機理;充實水柱

1? 直流水槍充實水柱研究與應用現狀

直流水槍主要應用于室內消火栓系統以及消防救援隊伍遂行滅火任務，是用水撲救火災最常用的射水器具，目前在我國使用最廣泛的直流水槍是直徑19mm的直流水槍。直流水槍重要性能參數之一是充實水柱長度Sk。GB 50016-2014《建筑設計防火規范》[1]（以下簡稱建規）對充實水柱，即Sk值，定義為從水槍噴嘴起至射流90%的水柱水量穿過直徑380mm圓孔處的一段射流長度。此處定義的充實水柱概念，以流量為標定方式，主要用以規范供水系統的壓力。GB50974-2014《消防給水及消火栓系統技術規范》[2]中提出室內消火栓栓口壓力和消防水槍充實水柱，應符合下列規定：高層建筑、廠房、庫房和室內凈空高度超過8m的民用建筑等場所，消火栓栓口動壓不應小于0.35MPa，且消防水槍充實水柱長度應按13m計算;其他場所，消火栓栓口動壓不應小于0.25MPa，且消防水槍充實水柱長度應按10m計算。

目前國外對于水射流的研究，主要集中在高壓水射流方面，消防水槍低壓射流的特性還鮮見研究。國內一些學者對充實水柱做過相關研究，如李前林[3]比較分析了充實水柱的兩種計算方法，進行了水槍噴嘴壓力計算方法對比研究，提出了理論公式與實驗系數組合法的半經驗公式，來計算充實水柱與水槍噴嘴壓力的關系。廖曉鋒[4]通過分析射流穩定性，給出了提高消防炮射水充實段長度的噴嘴結構。他們的研究結論具有一定的參考意義，然而基于射流機理的充實水柱特性目前相關研究還是空白。水槍射流的充實水柱特性研究的主要內容為射流水滴的粒徑分布情況、射流角度的影響以及射流破碎機理等。

2? 水槍射流充實水柱特性分析

2.1? 充實水柱影響因素

在研究消防水槍的射流時，通常將射流分為密集射流和分散射流，密集射流包含了射流核心不分散段和水流集中段，而水槍的分散射流段按照水滴平均粒徑大小分為開花射流和噴霧射流。當分散射流的水滴平均直徑在0.1～1mm之間時，稱為開花射流;當分散射流的水滴平均直徑小于0.1mm時，稱為噴霧射流[5]。在滅火過程中，噴霧射流和開花射流汽化速度快，吸熱冷卻作用強，窒息效果好，有良好的沖擊乳化作用和電器絕緣性能，消防滅火時用水量少，水漬損失小，除煙效果好，而且其隔絕熱輻射效果好。

噴霧射流段以及開花射流段要經過帶有一定動量的水柱輸運至火場，建規中定義的充實水柱長度，在消防供水設計和滅火救援中，實際為密集射流的有效射程，這段射流水流量集中，既有開花射流又有噴霧射流，便于瞄準火點，并有一定的沖擊力，能夠使可燃物降溫，有效地撲滅火災[5]。直流水槍射流的充實水柱會受到多種因素影響，主要包括：物性參數、水槍設計以及實際射流環境影響。對于給定的D19mm水槍，其充實水柱長度的影響因素則主要受物性參數和環境變量影響。

2.2? 定性分析

當射流水柱在空氣中輸運時，其運動形式是兩相流動，是自由運動。為了從物理及氣動阻力方面來分析射流特性，我們取一圓柱形微元體，由于所有的微元體都是失重狀態，微元體的速度梯度極小，從充實段分離的主要原因是湍流的擾動、水自身的表面張力，以及與空氣的撞擊摩擦，如圖1所示，圖中α表示射流角度。直流水槍形成的射流核心段，其長度會隨出口壓力增大而減小，實際測算的Sk值，表征的意義為充實核心段至霧化段之間的一段密集射流段，并非字面表述的充實段。

2.3? 射流角度對Sk影響分析

文獻指出，充實水柱長度與射流角度相關性較小，可以忽略不計。這一特性可由理論推論得出。由定性分析可知，水槍射流受到空氣動力學影響較大，低雷諾數時，阻力正比于速度、粘度和特征長度;而高雷諾數時，阻力正比于速度平方、密度和迎風面積。水槍射流為高雷諾數流動，根據風阻的計算公式，水滴在空氣中的阻力為：

式中A為射流微團迎風面積，C為風阻系數，為微團瞬時運動速度，為水的密度。

對于不同射流角度的情況，運動方向上瞬時速度受重力和空氣阻力影響：

為射流角度，即射流出口的速度方向與水平方向夾角，為微團質量。每一微小時刻微團運動距離，由式（1）、（2）得：

可變換為：

由于射流初速度一般在10m/s以上，（4）式中，，而的數量級在102-103，因此項可忽略不計：

同時，射流水由水槍出口至充實水柱長度，在空中停留時間較短，式（2）的時間項值較小，在射流過程中的值變化不大，水滴微團由水槍噴嘴沿射流方向運動，同時徑向方向也有速度分量，當徑向運動至20d處，即測得Sk處時，有：

值的變化較小，Sk值則主要取決于風阻系數、水滴微團的形態，而射流角度α對充實水柱的影響可忽略不計。

3? 水槍射流破碎機制分析

3.1? 射流破碎機制

射流破碎機理是受到慣性力、粘性力、表面張力和氣動力的共同結果，可用雷諾數（Reynoldsnumber，液體慣性力和粘性力之比）、氣體韋伯數（Webernumber，氣體慣性力和液體表面張力之比）這兩個無量綱準則數來表征和分析[7]。

水槍射流由充實水柱的密集射流到分散開花射流再到噴霧射流，是由于水槍射水出流后射流的破碎與分裂。由于所涉及的物理機制不同，射流破碎在相關流動參數的不同區域表現出不同的特征[8]。選取型號QZG19的直流水槍，在通常情況下射流所涉及的參數如表1所示。當我們分析研究水槍的射流特性時，無量綱準則數綜合考慮了多個變量的影響因素，對于不同工況下的射流情形同樣適用。

當環境因素一定時，水槍射流的破碎長度，即充實水柱的維持尺度，與平均出流速度相關，可劃分為滴落機制、Rayleigh機制、一階風誘導破碎機制、二階風誘導破碎機制以及霧化破碎機制[9][10]，其中前3種機制是低速射流時的射流破碎機制，形成的破碎液滴直徑尺寸范圍分布較寬;在二階風誘導機制下，空氣動力學作用力逐漸增強，與液相湍流共同影響射流的分解和破碎，得到的液滴直徑遠小于噴嘴直徑d，同時在射流徑向上的分散也會加強;霧化破碎機制下，氣液速度差較大，水槍射流在噴嘴附近就開始發生全面霧化，射流徑向上開始向外分布射流液滴，此時的射流核心長度和徑向直徑是混亂的。

3.2? 直流水槍射流機制劃分

空氣的慣性力與射流水表面張力之間的關系用氣體韋伯數表征，表示為：

式中，為空氣密度，kg/m3;為水槍射流速度，m/s;為水槍噴嘴直徑，m;為水的表面張力系數，N/m。

Farago&Chigier（1992）將射流的破碎用氣體韋伯數進行了劃分，分為三大類射流破碎機制：時，射流受空氣影響較小，平均液滴直徑為d的同數量級，射流連續性較強，此時處于為滴落機制、Rayleigh機制;時，液滴平均直徑減小，射流核心段長度逐漸縮短，開花射流段變長，此時處于一階風誘導破碎機制;時，射流破碎機制處于二階風誘導破碎機制，射流離開噴射不遠處就產生破碎，射流充實核心段縮短，水滴直徑分布范圍較廣，并且遠小于d，噴霧射流段增加;當繼續增大，射流為直接霧化破碎。

針對于直流水槍，射流的物性參數和水槍的設計參數固定，其射流形態取決于水槍出口壓力P。為分析韋伯數與水槍出口壓力之間的關系，我們將壓力水看作不可壓縮流體，從水槍流入至射流出口過程利用伯努利方程得：

式中為槍入口流速。又由質量守恒定律：

進出口截面積分別為：

忽略射流進出口高差，由（8）、（9）、（10）得：

式中，為水槍進出口壓力差（MPa），出水口處環境為大氣壓強，分子項可簡化為2P;D為供水水帶直徑65mm，分母4次方項可簡化為0，因此得：

將射流速度表達式帶入氣體韋伯數表達式得：

式（13）中P為水槍出口壓力（MPa）的值，由公式可以看出，氣體韋伯數與水槍出口壓力為線性關系。為研究通常情況下的水槍射流，我們在這里取常溫20℃下水和空氣的密度，;在293K下水的表面張力系數為72.75×10-3N·m-1，，代入式中分別計算出水槍射流出口壓力，最終將射流劃分各階段在坐標軸上顯示得：

圖2闡述了水槍出口壓力不同時的射流階段，當水槍射流在出口壓力0.04MPa之后，受空氣動力學影響因素不可忽略，并且當出口壓力增大到0.17MPa進入二級風誘導破碎階段;當出口壓力為0.79MPa時，射流從水槍出口處就開始全面發生霧化機制，其充實核心（Jetcore）段基本消失，此時的充實水長度Sk內的射流水柱幾乎全部為霧化水，水的動能有一部分轉化為空氣的動能，水柱裹挾空氣，空氣摻混到射流柱體。這也正說明了滅火實踐中，當非密集射流段或者霧化段射流到著火建筑內，不僅將開花水和霧狀水帶入著火空間，也同時將具有一定動量的空氣引流至室內。當射流水不能達到火點，熄滅可燃物時，引射的空氣反而會加劇火勢燃燒程度。

同時，需要指出的是，在不同的火災情景下，環境溫度有一定的變化，然而水的理化性質變化并不大，對式（13）的計算結果浮動較小，可以忽略不計。

4? 結語

本文從水槍射流形態出發，闡述了充實水柱Sk的影響因素，并且從射流機理的角度劃分了水槍射流的破碎機制。主要結論如下：

（1）射流角度對水槍射流的影響作用很小，充實水柱的長度主要取決于射流形態，而射流形態的直接相關參數為無量綱數氣體韋伯數和雷諾數。

（2）根據射流出口壓力與氣體韋伯數的線性關系，指出了水槍出口壓力在0.04～0.79MPa之間時，水槍射流受空氣動力學影響程度由小至大，最終發生全面霧化。

下一步，筆者將會設計比原始測量方式更為合理和可靠的充實水柱測量實驗裝置，準確測量充實水柱長度，提出科學的充實水柱計算方法。

參考文獻：

[1]GB 50016-2014.建筑設計防火規范[S].2014.

[2]GB 50974-2014.消防給水及消火栓系統技術規范[S].2014.

[3]李前林.水槍噴嘴壓力計算方法對比研究[J].武警學院學報，2012，28（02）：17-19.

[4]廖曉鋒.優化噴嘴結構提高消防炮射水充實段長度[J].消防界（電子版），2019，5（02）：59-60.

[5]李本利，楊素芳.火場供水[M].中國人民公安大學出版社，

2017.

[6]張學魁.消防供水[M].北京：群眾出版社，1995.

[7]曾緯.直噴液體射流及閃急沸騰噴霧的特性及機理研究[D].上海交通大學，2012.

[8]Lin SP，Reitz RD.Drop and spray formation from a liquid

jet[J].Annurevfluid Mech，1998，30（1）：85-105.

[9]AH Lefebvre.Atomization and sprays.Hemisphere Publishing

Corporation，New York，1989.

[10]N Chigier，RD Reitz.Regimes of jet breakup and breakup

mechanisms （physical aspects）

Research on characteristics of full water

spout through fire nozzles based on jet mechanism

Wang Wantong

China Fire and Rescue Institute

Abstract：Fire nozzles are mainly used for indoor fire hydrant and fire and rescue team to carry out firefighting task. The jet performance parameters of fire nozzles are important indexes to evaluate the fire extinguishing ability of fire nozzles. Under the given jet condition， full water spout （Sk） is an important index to evaluate the fire extinguishing ability of fire nozzles. In this paper， the influencing factors of full water spout are analyzed. Based on the jet mechanism， the mechanism of water jet of water gun is divided， and the forming and breaking process of water column are described. The full water spout is obtained， which provides theoretical support for the fire nozzles to be more effectively used in firefighting and rescue.

Keywords：fire nozzle; jet mechanism; full water spout