室内大空间自动寻的喷水灭火系统水射流轨迹分析

胡国良，龙 铭，李 忠，王少龙

（华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013）

0 引言

大空间建筑虽然丰富了人们的物质文化生活，但对火灾消防提出了更高的要求。由于大空间建筑具有室内面积大、高度高、人员或物品密集等特点，传统的消防装备已无法满足其消防处置要求[1]。因此，对室内大空间自动寻的喷水灭火系统开展研究非常有必要。然而现有国内外研究都集中在研究火灾发生具体位置的精确判断[2～4]，对喷水灭火系统的水流轨迹的研究相对较少，导致自动喷水灭火时定位精度不高，需要额外浪费水流量来灭火。现阶段，主要通过喷水实验得到大量的实验数据，这不仅耗费大量的人力物力，而且自动寻的效果也不明显。基于此，本文设计了一种室内大空间自动寻的喷水灭火系统，对水流轨迹进行建模仿真，并把工作压力、俯仰角度和安装高度等工况参数作为考察对象，分析对水流射程以及落地速度的影响，为火源空间精确定位提供控制参考依据。

1 自动寻的喷水灭火系统结构设计

喷水灭火系统要求结构紧凑和精简，所以不能选用需要较大空间范围的传动形式。另外，灭火系统的定位精度要求也比较高。考虑到齿轮传动工作平稳、传动效率高和寿命长，蜗轮蜗杆传动结构紧凑，在一定条件下具有反行程自锁能力，所以设计时采用齿轮传动和蜗轮蜗杆传动复合传动的方式作为本系统动力传递的基本形式。

图1 自动寻的喷水灭火系统结构示意图

图1所示为所设计的自动寻的喷水灭火系统结构示意图。它主要由水平传动机构、俯仰传动机构及相应的检测机构组成。灭火系统通过顶板1安装在室内大空间的顶部，外部供水管道通过法兰3上的管螺纹与其相连接，把压力水引入到灭火系统。火灾未发生时，启动探测器5处于监测状态；当监测到室内有火灾时，会将火灾发生信号传输给主控制器，主控制器发出报警信号的同时启动水平步进电机转动，安装在水平步进电机上的水平蜗杆随之转动并带动与其啮合的水平蜗轮2转动；同时，与蜗轮2同轴的水平小齿轮11转动并带动与其啮合的水平大齿轮4转动，从而带动整个装置在水平方向上转动。安装在喷嘴上的水平探测器7进行水平方向扫描，当探测到火源信号时，水平步进电机继续转动并启动主控制器开始计数，当火源信号消失时，停止主控制器计数并记录下数值，水平步进电机反转到一半数值的位置完成火源中心水平定位。与此同时，启动俯仰步进电机带动俯仰寻的机构完成火源中心俯仰定位。火源空间定位后开启水阀对火源进行喷水灭火。

2 水流轨迹数学建模

喷水灭火系统是利用水作为灭火介质，通过喷射出的压力水作用在火灾表面，阻断火灾继续燃烧，达到灭火的目的。如何使压力水准确作用在火灾表面十分关键，除了喷头在程序控制下对火源中心位置进行空间定位外，另外还要求在满足允许误差的条件下，水流最终落点能够有效的落在火源的中心位置。

图2 落水点与火点位置关系

图2所示为落水点与火点的位置关系。当喷头在空间中已正对火源中心后，喷出的水由于诸多因素的影响，可能最终的落水点离火源中心区域的距离超出了有效灭火误差范围ε，即|X0-X|＜ε。这时，应调整喷头的俯仰角θ从而使射程X和火源距离X0之差在有效灭火误差范围ε内。基于此，有必要建立符合实际的水流轨迹方程，推导出俯仰角θ与射程X的关系，优化控制程序，提高灭火系统的灭火定位精度。

2.1 水流轨迹受力分析

图3所示为水流的受力分析图。水流在下落过程中，主要受自身重力G和空气阻力F的影响。其中，自身重力与水流质量有关，本分析中选取单位质量的水流单元；空气阻力F主要与空气阻力系数K和水流速度V相关[5]，由于水流的喷射速度相对不高，所以近似认为空气阻力F与空气阻力系数K和水流速度V的乘积成正比，即：

图3 水流的受力分析

2.2 空气阻力系数确定

空气阻力由摩阻、涡阻和波阻三部分组成。根据实践经验可知，当飞行速度小于200m/s时，不会产生局部的激波现象，即不会产生波阻[6]。所以空气阻力可以认为是摩阻和涡阻两部分，空气阻力系数计算如下：

2.3 水流轨迹方程建立

以喷水灭火系统安装位置的中心线与地面的垂足为坐标系的原点O，以靠近火源的水平方向为坐标系X轴的正方向，以垂直地面向上的方向为坐标系Y轴的正方向，建立水流轨迹方程平面直角坐标系。水流轨迹的初始条件为：t=0, x=0,y=h, α=θ，根据牛顿第二定律：

取单位质量m=1，由式(3)可推出：

两边积分可得：

代入初始条件以及速度微分得：

两边积分得：

代入初始条件简化并消除t可得：

式(8)泰勒级数展开并取前三项可得：

式(9)即为推导出来的水流轨迹方程，该方程反映了水流中各点的坐标与安装高度h、俯仰角度θ、出水口流速V2和空气阻力系数K之间的关系。

3 水流轨迹建模仿真分析

3.1 水流轨迹仿真模型搭建

为了直观地表达和反映水流轨迹曲线，采用MATLAB/Simulink模块对水流轨迹进行仿真分析。图4所示为搭建好的水流轨迹曲线仿真模型。

通过输入工作压力、流量、进水口直径、俯仰角度以及安装高度等初始参数即可进行仿真，并得到相应的水流轨迹曲线。

3.2 不同工况参数对射流特性的影响

图5所示为不同俯仰角度下的灭火系统射程曲线。仿真时设定安装高度为12m，同时设定五种典型的工作压力。由图5可知，工作压力一定时，随着俯仰角度的增大，射程也随之增大，尤其是当俯仰角在50°～60° 之间变化时，射程的变化幅值达到最大。同样，随着进水压力的增大，射程也相应增大。当工作压力为0.8MPa，俯仰角达到极限角度60°时，射程能够达到18.147m，满足设计要求的最大保护半径为18m的设计要求。

图4 水流轨迹仿真模型

图5 不同俯仰角度下射程变化曲线

图6 不同工作压力下射程变化曲线

图6所示为不同工作压力下的射程变化曲线，当俯仰角在0°～30° 区间，射程随压力变化并不大，当俯仰角在40°～60° 区间，随压力升高，射程也随之增大，而且增大幅度也在逐渐增大。

喷水灭火系统设计时要求安装高度范围为8m～12m之间，不同的安装高度必会影响到水流射程。图7比较了不同安装高度下射程的变化情况，仿真时，系统工作压力为0.6MPa，从图中可看出，随安装高度的增高，射程也呈增大趋势。

图7 不同安装高度下射程变化曲线

水流落地速度大小决定了水流落地时具有动能的强度。由动能定理可知，水流落地速度越大，水流具有的动能也越大，因此对火源的扑灭效果也就越好。图8所示为不同俯仰角度下水流落地流速的变化关系。在工作压力p=0.6MPa，安装高度H=12m情况下，随着俯仰角度的增大，水流落地速度逐渐减小。

4 结束语

所设计的室内大空间自动寻的喷水灭火系统结构紧凑、功能稳定，能够满足大空间建筑室内火灾的扑灭要求。

图8 不同俯仰角度下水流落地流速变化曲线

喷水灭火系统水射流轨迹方程及仿真结果表明工作压力、俯仰角度和安装高度这些工况参数的增大能够提高射程；水流落地速度与俯仰角度成反比。这都和实际测试情况相一致，可进一步为火源空间精确定位提供理论参考依据。

[1] 杨庆.大空间展览建筑性能化防火设计研究[M].重庆大学, 2005.

[2] 谢志冰, 费敏锐.基于CCD图像的自动定位灭火系统的开发[J].自动化仪表, 2007, 28(7): 67-69.

[3] 郭庆, 黄庆鸣, 曾昭周.大空间早期火灾的双波段图像探测技术研究[J].兵工自动化, 2008, 28(7): 62-65.

[4] Hou J, Qian J R, Zhang W J, et al.Fire detection algorithms for video images of large space structures [J].Multimedia Tools Applications, 2011, 52(1): 45-63.

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