某舰用扇形喷头流量特性试验

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(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，郑州 450015)

舱壁喷淋作为一种常见的舰船消防手段，主要用于在重要舱室的邻舱发生火灾时，向本舱舱壁实施消防水喷淋，降低舱壁温度，隔离热传导，降低邻舱火灾对本舱的影响。喷头是喷淋系统中的关键部件，其流量特性直接影响其灭火降温及冷却隔离效果。有学者通过试验研究船用高压细水雾喷头的流量特性与灭火效果之间的关系，分析了压力及结构参数变化对灭火效能的影响[1]。通过试验，研究喷头流量与气液比及混合室内流型等物理结构特性之间的关系，推导出喷头临界流量公式[2]。通过试验研究雾化细水雾喷头的流量与进液口压力之间的关系，确定了流量与压力之间的变化规律，分析喷头进液口、注气孔口、喷口和旋流芯等内部结构特性对流量的影响规律[3]。有学者对喷头流量特性进行实验研究，分析压降、气液比、压力比对流量特性的影响，利用实验数据拟合得出喷淋气液比与流量系数的经验公式[4]。利用统计分析的方法对喷头流量特性试验的不确定度进行了分析研究[5]。采用水和空气混合的方法对气液两相流进行模拟试验，确定分层流动模型更适用于喷头的流量特性研究，并明确了结构参数对喷头流量特性的影响规律[6]。还有学者通过试验研究指出喷嘴流量特性规律主要由气液比和雷诺数决定，喷嘴结构参数对喷嘴流量特性有较大影响[7-12]。

文中选取一种常见的缝隙式扇形喷头进行研究，分别对3种不同缝隙宽度的舱壁喷头进行试验，获取不同压力下的流量和喷淋角度，分析其流量特性与结构参数之间的关系，为类似舱壁喷头的设计和选型提供支撑。

1 喷头特性分析

1.1 喷头结构特性分析

舱壁喷头结构见图1，喷头圆柱体上开设有一定角度和宽度的缝隙，消防水通过该缝隙后形成射流扇形水幕，作用在舱壁上进行喷淋降温。喷头结构特性参数主要有缝隙宽度、缝隙长度、缝隙厚度、开口角度及接口通径等，其中缝隙长度由扇形开口角度决定。3种喷头的相关参数见表1。由表1可知，3种喷头中不同的结构参数是缝隙宽度。文中主要研究不同缝隙宽度下舱壁喷头的流量特性。

图1 扇形喷头

1.2 喷头流量特性分析

喷头流量相关特性参数主要有流量、喷淋角度、作用半径、喷淋强度。其中喷淋强度是单位长度上的消防水流量，由流量及喷淋作用半径决定；作用半径是距离喷头一定距离处的喷头喷淋覆盖范围(近似为一条线)的一半，由喷淋角度决定。喷淋角度理论上应和喷头开口角度保持一致。

表1 喷头主要特征参数

文中的舱壁喷头为缝隙式扇形喷头，对照小孔流量和缝隙流动的定义，喷头流量的计算可近似为流经固定平板缝隙流量的计算公式。

式中:b为缝隙长度；h为缝隙宽度(与水流方向垂直的边)；l为缝隙厚度(与水流方向平行的边)；μ为黏度，常数；Δp为缝隙两端的压差。

由流量理论计算公式可知，舱壁喷头流量与压差Δp成正比，与缝隙长度b及缝隙宽度的三次方h3成正比，与缝隙厚度l成反比。

2 喷头流量特性试验设计

试验测试的喷头流量特性主要有流量、喷淋角度和喷淋作用半径等参数。

喷淋流量的测量试验回路见图2，其工作原理是高压水泵为试验提供一定压力的消防水，通过节流阀调节喷头进口压力，利用流量计和压力表测量喷头流量及压力。

图2 喷头流量测试原理

喷淋角度测试试验回路见图3，其工作原理是高压水泵为试验提供一定压力的消防水，通过溢流阀调节喷头进口压力，利用流量计和压力表测量喷头流量及压力，利用高速摄像机取样拍摄喷雾情况，利用计算机软件量取喷淋角度。扇形喷头的喷淋区域为矩形，喷淋效果见图4，而其短边较短，可将其近似为一条线。试验中选取距离喷头1 m处的喷淋区域的一半为作用半径。由图3可知，喷头作用半径可通过喷淋角度计算得出，其关系式为

L=Htan(α/2)

式中：L为作用半径；H为喷头到截面的距离，H=1 m；α为喷淋角度。

图3 喷头喷淋角度及作用半径测试原理

图4 喷头喷淋效果

3 试验结果及分析

喷头流量与压力之间的关系见图5。

图5 喷头流量与压力关系

由图5可知，3种喷头的流量与压力曲线可近似为一条直线，即流量与压力成正比，与缝隙流动流量的理论计算公式一致。

喷头流量和缝隙宽度三次方之比(qv/h3)与压力的关系见图6。

由图6可知，单个喷头的流量和缝隙宽度三次方之比与压力成正比，与理论计算公式一致。由理论计算公式可知，qv/h3=(b/12μl)Δp，3个喷头的缝隙长度b和缝隙厚度l相同，理论上图6中3条曲线的斜率应相同，但图中却明显不同。

分析认为出现上述现象的原因是缝隙较小的情况下，由于摩擦等因素，导致实际通流的缝隙宽度较小，实际通流的缝隙长度也较小，从而影响其通流的流量。为验证上述分析，对喷头的喷淋角度进行测试，喷头喷淋角度与压力之间的关系曲线见图7。

图7 喷头喷淋角度与压力关系图

由图7可知，压力变化时喷淋角度基本保持不变，1#喷头的喷淋角度约为95°，2#喷头的喷淋角度约为113°，3#喷头的喷淋角度约为120°。分析上述试验结果可知，只有3#喷头的喷淋角度与其理论喷淋角度保持一致，在喷头缝隙较小时，实际喷淋角度小于其理论喷淋角度，实际通流的缝隙宽度也要小于其理论通流的缝隙宽度，造成其流量与理论计算不一致。因此，在后续扇形喷头设计中，需首先保证喷头缝隙宽度，可通过调节缝隙开口角度来改变缝隙长度，在保持缝隙开口角度不变的条件下，可调节喷头内腔的直径，改变缝隙长度，实现流量的系列化设计。

4 结论

1)不论舱壁喷头缝隙宽度的大小，舱壁喷头的流量与压力成正比。

2)喷淋角度与喷淋压力基本无关，与喷头的缝隙宽度关系较大，缝隙宽度越大其喷淋角度越接近其实际开口角度。

3)舱壁喷头在缝隙宽度较小时，其喷淋角度要小于其实际开口角度，从而导致喷头的实际流量与理论计算存在较大差距，喷淋效果难以满足预期。

4)在设计类似舱壁喷头时应考虑将缝隙宽度设计较大，通过缝隙长度的调整来实现喷淋流量的系列化。