室内消火栓与孔板组合局部阻力系数的测定(1)

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。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。

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