1、典型噴頭響應時間工程計算模型研究2021年12月第25卷第12期武警學院學報JOURNALOFCHINESEPEOPLESARMEDPOLICEFORCEACADEMYDec.20o9V01.25No.12消防理論典型噴頭響應時間工程計算模型研究陳穎(武警學院消防工程系,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,不同環境溫度,不同反響時間常數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,環境溫度,反響時間常數和徑向距離等相關的經驗模型,并和有關的經驗模型進行了比擬.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,環境溫度和反響時間常數.關鍵詞:噴頭;啟動時間;DETACT12中圖分類號:TU998.1;D631.6文獻標識碼:A文章編號:10082077(2021)120005050引言建筑火災發生后,如果能有效抑制初起火災,將顯著減少火災所造成的人員傷亡和財產損失.自動噴水滅火系統是一種能夠有效控制建筑物初起火災并且可以自動運行的消防設施,其滅火效率高,可靠性強,適用范圍廣,環境污染小,越來越多的應用于各類建筑,特別是對高層,超高層,工業,商業,倉儲等建筑,其應用廣泛.目前,國內外各相關建

3、筑設計防火標準中都越來越詳細的規定了自動噴水滅火系統的安裝和使用.灑水噴頭是自動噴水滅火系統的主要組成部件,也是影響整個噴淋系統效率的關鍵部件.噴頭的一個關鍵參數是熱響應性能,它決定火災發生后噴頭的動作時間.火災發生后,噴頭如果啟動太慢,將控制不住已經擴大的火災;如果啟動的太快,那么啟動的噴頭數量必然增多,將造成火災水漬損失增大,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,在性能化設計的火源大小設置中,往往把第一個噴頭的啟動時間作為選取火源大小的依據.因此,研究噴頭的響應特性具有十分重要的現實意義.國內外的許多學者對噴頭的響應時間進行了研究.A.K.Gupta,BukowshiR

4、W,BudnickEK等根據噴頭的RTI,頂棚射流的溫度和速度以及噴頭的啟動溫度,得到噴頭啟動的經驗公式.很多科研機構開發了不少模型預測噴頭的啟動,如美國NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology)開發的FPETOOL,澳大利亞CSIRO開發的FIRECALC_5J,EvansDD開發的DETACT_6等.近來,香港理工大學w.K.Chow教授和中國科技大學火災科學國家重點實驗室的張村峰博士都對噴頭的響應特性進行了研究,并得到了噴頭啟動時間與火災增長系數,噴頭安裝高度,環境溫度及噴頭響應時間常數之間的關系式.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增長系數與噴頭安裝高度及環境溫度分別放在一起考慮,這些因素并沒有一定的耦合關系,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,平安技術與工程專業在讀碩士研究生.?5?武警學院學報)2021年第12期(總第163期)?消防理論?的諸多因素出發,研究了環境溫度,火災增長系數,噴頭響應時間指數,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,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境溫度

7、的溫差,oC;/x為氣體溫度與環境溫度的溫差,oC;為煙氣速率,m/s;尺為響應時間指數,(In?s);為時間常數,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律.當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,不同環境溫度,不同火災增長速率(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為火災增長系數;To為環境溫度,.?6?張村峰博士也對噴頭的響應特性進行了研究,并根據DETACTT2軟件得到了噴頭啟動時間的關系式: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,環境溫度為20C,安裝高度日分別為2,6,10,20m時,噴頭響應時間指數分別為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,其火災增長系數分別為0.002931,0.01127,0.04689,0.1878.通過對表1中數據的研究,可以發現:噴頭響應時間指數越大,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,當噴頭的安裝高度為2m時,噴頭啟動時間為75.5s,當噴頭的安裝高度為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,當噴頭距火源的距離為1m時,噴頭啟動時間為93s,當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中的參數進行擬合,得到了在綜合考慮噴頭響應時間指數,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(相關系數為0.878):t:5.54Rrl?+61.5366+124.6一.?一661.82r.?一0.012(

11、8)本文同時研究了環境溫度對噴頭啟動時問的影響.用軟件DETACT12計算環境溫度為40C時噴頭的啟動時間,具體見表2.從表1和表2的數據比擬可以看到,環境溫度越高,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:典型噴頭響應時間工程計算模型研究頭距火源的距離為3m,當環境溫度為20C時,啟動時間為367.6s,當環境溫度為40C時,啟動時間為258.1s,比環境溫度為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?武警學院學報)2021年第l2期(總第163期)?消防理論?2結果比照分析針對兩種不同的環境溫度(20和40),噴頭的RTI取100,噴頭距火源的徑向距離取10m,火災增長為中速火,比擬不同模型的計算結果

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,如當環境溫度為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帖館衛衛2苫蕾衛蕾f擁高度(a)環境溫度為20C時噴頭啟動時間1擁尚隧,m(b)環境溫度為40C時噴頭啟動時間圖1不同環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增長系數.如當頂棚高度為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,環境溫度對噴頭的啟動時間影響較大.如當頂棚高度為6m,環境溫度為2O時噴頭的啟動時間為447.7s,環境溫度為024681O12141618挖斟項瞞(a)小川火災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結論計算并分析了啟動溫度為68C的噴頭的響應時間,并擬合得到了噴頭響應時間的工程計算模型.從分析可知,噴頭響應時間指數越大,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,其次分別為火災增長速率,噴頭距火源的徑向距離,環境溫

19、度和反響時間常數.參考文獻:1GUPTAAK.ModelingtheresponseofsprinklersincompartmentfiresJ.FireandMaterials,2001,25:l17121.2BUKOWSHIRW.FireHazardAnalysisK.FireProtectionHandbook.19thed.QuincyMA:NationalProtectionAssociation,2003,Section3Chapter7.3BUDNICKEK,EVANSDD,NELSONHE.SimplifiedFireGrowthCalculationsK.FireProte

20、ctionHandbook.19thed.Quincy,MA:NationalProtectionAssociation,2003,Section3Chapter9.4NELSONHE.FPETOOL:FireProtectionEngineeringToolsforHazardsEstimationsR.NISTIRReport4380,BuildingandFireRe?searchLaboratory,NationalInstituteofStandardsandTechnology,1990.5FIRECALCFireEngineeringSoftwareR.DivisionofBui

21、lding,ConstructionandEngineering,CSIRO,NorthAustralia.6EVANSDD,STROUPDW.MethodstoCalculatetheResponseTimeofHeatandSmokeDetectorsInstalledBelowLargeUnobstrncturalCeilingsJ.FireTechnology,1986,22:5456.7CHOWWK.PerformanceofsprinklerinatriumJ.JournalofFireScience,1996.14:467488.8張村峰,霍然,李元洲.火災中閉式噴頭響應特性研究J.中國工程科學,2005,7(11):5559.AnEngineeringCalculationModelfortheActivationTimeofaTypicalSprinklerHeadCHENYing(DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Lang(ang,HebeiProvince065000,China)Abstract:ThesoftwareDETACT12wasusedtocalculatetheactivationtimeo