典型噴頭響應(yīng)時間工程計算模型研究

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

2、不同的影響因素,說明噴頭安裝高度是影響噴頭啟動時間的最重要的因素,其次分別為火源增長速率,噴頭距火源的徑向距離,環(huán)境溫度和反響時間常數(shù).關(guān)鍵詞:噴頭;啟動時間;DETACT12中圖分類號:TU998.1;D631.6文獻標(biāo)識碼:A文章編號: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產(chǎn)損失.自動噴水滅火系統(tǒng)是一種能夠有效控制建筑物初起火災(zāi)并且可以自動運行的消防設(shè)施,其滅火效率高,可靠性強,適用范圍廣,環(huán)境污染小,越來越多的應(yīng)用于各類建筑,特別是對高層,超高層,工業(yè),商業(yè),倉儲等建筑,其應(yīng)用廣泛.目前,國內(nèi)外各相關(guān)建

3、筑設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)中都越來越詳細的規(guī)定了自動噴水滅火系統(tǒng)的安裝和使用.灑水噴頭是自動噴水滅火系統(tǒng)的主要組成部件,也是影響整個噴淋系統(tǒng)效率的關(guān)鍵部件.噴頭的一個關(guān)鍵參數(shù)是熱響應(yīng)性能,它決定火災(zāi)發(fā)生后噴頭的動作時間.火災(zāi)發(fā)生后,噴頭如果啟動太慢,將控制不住已經(jīng)擴大的火災(zāi);如果啟動的太快,那么啟動的噴頭數(shù)量必然增多,將造成火災(zāi)水漬損失增大,同時會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)計的火源大小設(shè)置中,往往把第一個噴頭的啟動時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)實意義.國內(nèi)外的許多學(xué)者對噴頭的響應(yīng)時間進行了研究.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溫度,得到噴頭啟動的經(jīng)驗公式.很多科研機構(gòu)開發(fā)了不少模型預(yù)測噴頭的啟動,如美國NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology)開發(fā)的FPETOOL,澳大利亞CSIRO開發(fā)的FIRECALC_5J,EvansDD開發(fā)的DETACT_6等.近來,香港理工大學(xué)w.K.Chow教授和中國科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室的張村峰博士都對噴頭的響應(yīng)特性進行了研究,并得到了噴頭啟動時間與火災(zāi)增長系數(shù),噴頭安裝高度,環(huán)境溫度及噴頭響應(yīng)時間常數(shù)之間的關(guān)系式.前人的研究雖得出了噴頭動作時間的計算

5、方法,但我們看到,w.K.Chow教授模型中沒有考慮噴頭距火源的徑向距離的影響,這樣得到的啟動時間比實際值偏小.張村峰博士在模型中把火災(zāi)增長系數(shù)與噴頭安裝高度及環(huán)境溫度分別放在一起考慮,這些因素并沒有一定的耦合關(guān)系,因此其模型不能正確反響各個不同因素對噴頭啟動時間的影響.利用DETACT12軟件,從火災(zāi)中影響噴頭動作收稿日期:202107一l6作者簡介: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)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)增長系數(shù),噴頭響應(yīng)時間指數(shù),噴頭安裝高度,噴頭距火源徑向距離對噴頭啟動

6、時間的影響,并采用遺傳算法進行多參數(shù)擬合,得到了噴頭啟動時問的工程計算模型,并與w.K.Chow教授的模型,張村峰博士的模型進行了比擬.最后利用該模型分析了不同因素對噴頭啟動時間的影響大小.1噴頭響應(yīng)時間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為玻璃球外表換熱系數(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)時間指數(shù),(In?s);為時間常數(shù),s.對式(4)積分得:=Int11_=lLl【)M通過求解上式,即可得到噴頭熱敏原件(玻璃球)溫度隨時間的變化規(guī)律.當(dāng)溫度到達公稱動作溫度時,玻璃球破裂,噴頭啟動.1.2噴頭響應(yīng)時間工程計算方法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為噴頭的啟動時間,min;H為安裝噴頭的頂棚高度,in;ot為火災(zāi)增長系數(shù);To為環(huán)境溫度,.?6?張村峰博士也對噴頭的響應(yīng)特性進行了研究,并根據(jù)DETACTT2軟件得到了噴頭啟動時間的關(guān)系式:t=4.6加棚H+1.7R.一0.1675ot.?ro一一25(7)針對以上兩個模型存在的問題,本文采用軟件DETACT12,對t火源條件下,啟動溫度為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,噴頭響應(yīng)時間指數(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,噴頭的動作時間進行了研究,具體結(jié)果見表1.表中St,Mt,Ft,一

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

10、s,比安裝高度為2m的噴頭啟動時間晚83s;噴頭距火源中心徑向距離越大,啟動時間越長.比方對于快速火,RTI為50,安裝高度為6m時,當(dāng)噴頭距火源的距離為1m時,噴頭啟動時間為93s,當(dāng)噴頭距火源的距離為3m時,噴頭啟動時間為151.5s,比距火源的距離為1In的噴頭啟動時間晚58.5s;但當(dāng)噴頭安裝高度到達一定值時,徑向距離對噴頭啟動時間影響的敏感度降低.采用遺傳算法對表1中的參數(shù)進行擬合,得到了在綜合考慮噴頭響應(yīng)時間指數(shù),噴頭安裝高度,徑向距離等因素的情況下,噴頭啟動時間的方程(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)本文同時研究了環(huán)境溫度對噴頭啟動時問的影響.用軟件DETACT12計算環(huán)境溫度為40C時噴頭的啟動時間,具體見表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,噴頭的啟動時間越快.如對于中速火,RTI為100的噴頭,頂棚高度為6m,噴陳穎:典型噴頭響應(yīng)時間工程計算模型研究頭距火源的距離為3m,當(dāng)環(huán)境溫度為20C時,啟動時間為367.6s,當(dāng)環(huán)境溫度為40C時,啟動時間為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時噴頭啟動時間隨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)2021年第l2期(總第163期)?消防理論?2結(jié)果比照分析針對兩種不同的環(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)增長為中速火,比擬不同模型的計算結(jié)果

14、和DE.TACT12計算值的差異,具體見圖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時間,如當(dāng)環(huán)境溫度為2O,噴頭的安裝高度為6m時,DETACT12模型的計算值為632.8s,公式(8)的計算值為573.3s,相差59.5s;W.K.Chow模型的計算值為285.9s,相差346.9s;張村峰模型的計算值為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際啟動情況.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時噴頭啟動時間1擁尚隧,m(b)環(huán)境溫度為40C時噴頭啟動時間圖1不同環(huán)境溫度下噴頭啟動時間圖2列出了不同噴頭安裝高度下其它

15、條件變化對噴頭啟動時間的影響.從圖2可知,噴頭安裝高度是影響噴頭啟動時間的最重要因素,圖2(ad)的每種工況,噴頭啟動時間差異最大達1000多秒.圖2(a)為環(huán)境溫度30,RTI為100,徑向距離為5m,火源增長為慢速,中速,快速,超快速等情況下,噴頭啟動時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,火源增長速率對噴頭的啟動時間影響僅次于噴頭安裝高度.如當(dāng)頂棚高度為8m時,慢速火時噴頭的啟動時間為730.4s,?8?快速火時噴頭的啟動時間為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,噴頭啟動時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,徑向距離對噴頭的啟動時間影響僅次于火災(zāi)增長系數(shù).如當(dāng)頂棚高度為6m時,徑向距離為5m時噴頭的啟動時間為319.7s,徑向距離為10m時噴頭的啟動時間為494.3s,相差174.6s.圖2(c)為環(huán)境溫度30C,火源增長中速,噴頭距火源的徑向距離為5m,噴頭RTI為20,50,100等情況下,噴頭啟動時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對噴頭的啟動時間影響最小.如當(dāng)頂棚高度為6m時,R為20時噴頭的啟動時間為297.9s,RTI為100時噴頭的啟動時間為366s,相差68.1s.

17、圖2(d)為火源增長中速,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,噴頭啟動時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)境溫度對噴頭的啟動時間影響較大.如當(dāng)頂棚高度為6m,環(huán)境溫度為2O時噴頭的啟動時間為447.7s,環(huán)境溫度為024681O12141618挖斟項瞞(a)小川火災(zāi)增長速率時噴頭啟動時間02468101214161日壁簽O2468101214161824笠頂幅(b)不同徑向距離時噴頭啟動時間鼬舌唧渤勱蝴伽0亙魯稃E!陳穎:典型噴頭響應(yīng)時間工程計算模型研究星魯辱暮瑩嚼西頂棚高度/舶(C)R7/I大啟動時I_貞棚商m

18、(d)不同環(huán)境溫度時噴頭啟動時fHj圖2不同影響因素時噴頭啟動時間曲線40時噴頭的啟動時間為3l9.7s,相差128s.3結(jié)論計算并分析了啟動溫度為68C的噴頭的響應(yīng)時間,并擬合得到了噴頭響應(yīng)時間的工程計算模型.從分析可知,噴頭響應(yīng)時間指數(shù)越大,噴頭的靈敏性越差,動作時間越長;噴頭安裝高度越高,啟動時間越長;噴頭距火源中心徑向距離越大,啟動時間越長;但當(dāng)噴頭安裝高度到達一定值時,徑向距離對噴頭啟動時間影響的敏感度降低;環(huán)境溫度越高,噴頭的啟動時間越快.針對擬合得到的工程計算模型進行分析,結(jié)果說明,噴頭安裝高度是影響噴頭啟動時間的最重要的因素,其次分別為火災(zāi)增長速率,噴頭距火源的徑向距離,環(huán)境溫

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