舰船弹库喷淋系统压力损失分析及管路优化设计

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(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，郑州 450015)

弹库是易燃易爆的高危场所，发生火灾将严重威胁舰船的战斗力和生命力，必须为舱内配置高效、节能的灭火系统。由于取水方便且成本低廉，采用海水作为工作介质的水灭火系统在舰船消防系统应用中具有得天独厚的优势。任何水灭火系统都必须借助管道、控制阀组、喷嘴及各种管接头等来实现灭火用水的输送、控制及喷淋，由于流体自身的黏性，其经过弯头、阀件、节流孔处等将产生远大于直管的能力损失[1-6]。舰船消防总管的水流经过阀组、各分支管管路到达最末端喷头，管路逐渐变细，水压及流量也随之降低，喷头入口压力不能得到有效保证，将直接影响到喷淋灭火效果乃至弹库的安全。在喷淋系统设计及管网布局中，流体压力损失是必须考虑的关键因素，如何在舰船消防系统压力不高的情况下，确保所有喷头供水压力满足要求，精确计算系统中间各环节的压力损耗，并进行有效控制、改进、选型等使系统管路设计得以优化尤为重要。

选取喷淋系统作为研究对象，分析其系统构成，以及流体在管路中压力损失的影响因素，提出管路设计应遵循的原则和减少压力损失的措施，为喷淋系统的设计、布局提供参考和依据。

1 喷淋系统概况

喷淋系统主要由启闭控制阀组、开启机构、泄漏检测装置、压力指示表、主管道、上下分管、喷淋支管及喷头等组成。喷淋系统入口配置有手动截止阀与消防总管连接，然后经过启闭控制阀组、喷淋主管、分管、支管等将喷淋用水送达每一个喷头。消防总管布置在舰船舱室外的通道内，因此，手动截止阀、启闭阀组、开启机构等也都布置在舱外通道下方以方便操作及维修，喷淋主管垂直向上接入舱室内部将消防水引入各喷淋分管、支管。舱内管路全部采用平面布局，设于被保护区域的正上方。喷头出水口朝下安装在管路下部，喷头的数量和布局应保证喷淋水能完全覆盖住整个被保护区域。

2 压力损失计算模型

根据喷淋系统组成、布局及工作原理可知，系统中压力损耗最大处为距消防总管最远、最高、最末端的喷头，因此必须计算出该喷头的入口压力，使其满足设计要求。

根据流体力学理论[7-8]，建立喷头入口压力pn的计算公式为

pn=p0-Δp

(1)

式中：p0为系统输入压力；Δp为总压力损失。

总压力损失Δp的计算公式为

Δp=∑(ΔpT+ΔpM+Δph)

(2)

式中：ΔpT为由管壁摩擦引起的沿程压力损失；ΔpM为由阀件和管件引起的局部压力损失；Δph为由管路升高引起的压力损失。

由式(2)可知，压力损失主要由沿程压力损失、局部压力损失和管路升高引起的压力损失三部分组成。减少沿程压力损失ΔpT的计算公式为

(3)

式中：λ为沿程阻力系数；l为管道直线长度,m，dH为管道内径，m；ρ为流体密度，kg/m3；υ为液体截面的平均速度，m/s。

局部压力损失ΔpM的计算公式为

(4)

式中：ζ为局部阻力系数。

管路升高引起的压力损失Δph的计算公式为

Δph=ρ·g·h

(5)

式中：h为管路上升高度，m。

通过式(1)～(5)可知，影响压力损失的变量因素主要为沿程阻力系数λ、局部阻力系数ζ以及管内流速υ，因此，应分析这些变量的计算模型及影响因素，进而选取较小值作为设计依据。

3 阻力系数计算模型及分析

3.1 沿程阻力系数

喷淋管系中所有管路截面形状全部为圆形，假设其内壁光滑，则管道沿程阻力系数λ仅与雷诺数Re有关。

(6)

雷诺数是用来表征流体流动情况的量纲一的量，其与管道直径、流体流速成正比，与流体黏性成反比[9]。由式(6)可知，沿程阻力系数随雷诺数的增大而减小，因此，增大管径、提高流速及改善管壁光滑度均可减小沿程阻力系数。但实际应用中，管径和流速都是经过计算或根据经验行取值的，只能通过管材选用、优化工艺等措施提高管道内部光滑度来减小沿程阻力系数。

3.2 局部阻力系数

3.2.1 管径扩大时的局部阻力系数ζ

管径扩大见图1。

管径突然扩大时，局部阻力系数ζ计算公式为

(7)

图1 管径扩大

管径突然扩大会形成局部涡旋，造成较大的能量损失。从式(7)可知，管径突然扩大的程度越剧烈，局部阻力系数越大，同时还会引起振动和噪声，设计中应加以避免。

管径逐渐扩大时，局部阻力系数ζ的计算公式为

(8)

式中：K为与扩散角θ有关的系数，根据吉布森(A.H.Gibson)提供的试验数据可知，K值与θ正相关：θ在5°～7°之间取值时K值最小，约为0.135，之后K值随θ增大而急剧增大；θ在55°～80°之间取值时K值最大，约为1～1.22，之后K值随θ的增大而有所回落，并稳定在1附近。从式(8)可知，沿程阻力系数λ越大且管径扩大越剧烈，则局部阻力系数ζ也越大。

3.2.2 管径收缩时的局部阻力系数ζ

管径收缩见图2。

管径突然收缩时，局部阻力系数ζ计算公式为

(9)

图2 管径收缩

管径突然收缩时，ζ主要取决于断面收缩比，收缩程度越剧烈，则ζ值越大。

管径逐渐缩小，当θ<30°时，局部阻力系数ζ的计算公式为

(10)

当θ=30°～90°时，局部阻力系数计算公式为

(11)

管径逐渐收缩时，局部阻力系数ζ的计算公式比较复杂，不仅与断面收缩比有关，还受沿程阻力系数λ、收缩角θ的影响。断面收缩越剧烈，收缩角θ越小，则局部阻力系数ζ越大；而沿程阻力系数λ越小，则局部阻力系数ζ也越小。

3.2.3 弯管及折管的局部阻力系数ζ

弯管和折管见图3。

图3 弯管和折管

弯管的局部阻力系数ζ的计算公式为

(12)

折管的局部阻力系数ζ的计算公式为

(13)

3.2.4 三通接头的局部阻力系数ζ

在管路的三通接头处可能有各种方式的流动，其局部阻力系数见表1。由表1可见，阻力系数不仅与接头内的流动方式相关，还与三通接头自身的角度有关，在设计中尽量按阻力系数小的流动方式进行设计和选择。

表1三通接头的局部阻力系数

3.2.5 阀件的局部阻力系数ζ

由于阀件的结构复杂、规格多样，通过当量长度(L/D)法求出局部阻力系数，或采取类比法取得局部阻力系数后进行压力损失估算。计算值可以通过设置压力探测装置直接测量具体阀件进出口两端压力差值的实验手段进行检验和对比。

上述局部阻力系数是在不受其他阻力干扰的孤立条件下进行分析计算测定，实际安装情况千变万化，如，相邻两处阻力之间彼此干扰，将导致计算数据与实际值不同。在条件允许的情况下，尽可能减少管径或流向的频繁改变，以减少局部压力损失。

4 喷淋管路优化设计原则及减少压力损耗措施

通过对喷淋系统的压力损失和各环节的阻力系数进行分析，提出对管路设计需遵循的原则及减小压力损耗的措施。

1)合理选择总管道内的流速。根据计算模型分析可知，管道的沿程压力损失和局部压力损失都与管内流速υ的平方成正比。流速太高不仅造成能量损失过大，而且会产生振动、噪声及气穴等问题，导致管道使用寿命降低，甚至导致系统不能正常工作；而流速过低又会降低系统的快速响应性，同时造成管径和阀类元件尺寸过大，使系统的重量、空间体积以及造价成本都相应增加[10-12]。

2)计算各分支管的管内流速，合理选择支管的管径。要使各支管内流速均匀，避免因剧烈变径引起流速忽快忽慢而产生的振动。

3)在管系的设计和计算过程中，尽量不采用突变管，而是采用渐变管且扩散角θ应尽量小，结合舱内现场安装环境，优化管道的走向，尽量少置弯头和连接管件，以降低不必要的压力损失。

4)采取工艺措施保证管道内壁光滑。选取合适的管材，支管焊接后及时清除内壁上的焊渣并打磨光整，酸洗后及时吹干、密闭，保持内壁的光洁、干燥。

5)选择控制弯管半径R，以减小因管道转向带来的压力损失，控制弯管工艺保持弯管内孔为圆形。推荐R值取约2倍管径。

6)根据水流流动的方向减小支流管与总流管之间的夹角，或用圆角、斜角过渡。

7)具体分析阀件和管件造成压力损失过大的原因，优化设计改善流动状况以减小阻力。

5 结论

通过应用流体力学理论，结合喷淋系统组成、布局，分析出造成系统压力损失的3个因素分别为沿程压力损失、局部压力损失、管路升高引起的压力损失，并分别建立数学模型。根据建立的压力损失数学模型分析，确认减少系统压力损失需从减小沿程阻力系数、局部阻力系数以及降低管内流速着手，分别对管径扩大、管径缩小、管径折弯、三通接头及阀件型式等几种工况的阻力系数及影响因素进行研究，分析其关系及变化趋势，提出喷淋系统优化设计原则以及减小压力损耗的措施。