通过对自动喷水灭火系统局部水头损失计算方法及舍维列夫公式与海曾-威廉公式之间差别的分析,提出需对《自动喷水灭火系统设计规范》( GB50084 - 2001)中的管件当量长度进行修正的观点,并推得适用于舍维列夫公式的各种管径管件的当量长度。
关键词局部水头损失当量长度喷头工作压力舍维列夫公式海曾-威廉公式修正系数水力计算是自动喷水灭火系统设计中的一项重要内容。
水力计算结果将直接影响系统的可靠性、合理性、经济性,而合理的水力计算方法是水力计算结果正确的基础。
在局部水头损失计算方法方面《自动喷水灭火系统设计规范》( GB50084 - 2001)(以下简称“新规范”) 较《自动喷水灭火系统设计规范》( GBJ 84 - 85) (以下简称“旧规范”) 作了较大的改动。
笔者结合工程实例对两本规范局部水头损失的计算进行分析和探讨。
1 局部水头损失计算方法分析在“新规范”颁布实施前,对自动喷水灭火系统局部水头损失的计算国内现行设计手册及教材普遍采用估算的方法。
即系统的局部水头损失仅在管道水力计算结束时取沿程水头损失的20 %。
这种计算方法不足之处在于:首先,20 %的取值忽略了每个工程管网布置、配置的特殊性,误差较大;其次,在管道水力计算时忽略了局部水头损失对喷头的喷水压力影响,进而影响系统的设计流量、管道的水头损失或系统所需的扬程。
由于估算法存在较大的误差,在局部水头损失的计算方法上“新规范”摒弃了“旧规范”中估算的方法。
“新规范”第9.2.
3 条明确规定:“管道的局部水头损失,宜采用当量长度法计算。
当量长度表见规范附录C”。
当量长度法的采用既为简化局部水头损失的计算创造了条件,同时也间接确定了将局部水头损失的计算纳入到沿程水头损失的计算中,所以在计算作用面积内各喷头节点流量时,也就同时考虑了沿程水头损失和局部水头损失对各喷头节点的喷水压力影响。
由此可见,在局部水头损失计算方面“新规范”弥补了“旧规范”的不足。
2 局部水头损失计算的分析与探讨对采用以镀锌钢管为输水管材的给水工程的沿程水头损失的计算,我国现行的设计手册及规范均采用舍维列
夫公式,即式(1) ;英、美、日、德等国采用海曾O威廉公式,即式(2) 。
由于各方面的原因,对沿程水头损失的计算, “新规范”仍采用舍维列夫公式。
式中i ———单位管道的水头损失,mH[sub]2[/sub]O/ m ; Q ———流量,m[sup] 3[/sup]/ s ; d[sub]j[/sub] ———管道计算内径,m ; C ———海曾-威廉系数(见表1) 。
对局部水头损失的计算,由于我国缺乏试验数据及局部阻力系数不全,故“新规范”引用美国规范中的当量长度,各管件的当量长度见表2 。
但表2中的当量长度值是针对式(2) 推得,而“新规范”采用的式(1) 与式(2) 有较大的差值。
表3 是各种管径式(1) 与式(2) 在相同流量条件下的单位水头损失比值。
由表3 可知,若直接引用表2 中的当量长度值代入式(1) 中求局部水头损失,其求出的局部水头损失比代入式(2) 中求出的局部水头损失大,而在水力计算过程中局部水头损失的误差又将引起各设计管段流量和水头损失的误差,进而引起系统总设计流量和扬程的误差。
笔者认为,“新规范”直接引用美国规范中C=120 时的当量长度值忽略了式(1) 与式(2) 的不同欠妥。
即使同采用海曾O威廉公式,当C 取值不同时,管件的当量长度也需修正(见“新规范”第106 页倒数第一行) 。
因此,有必要对表2 中的当量长度值进行修正,使其适用于舍维列夫公式。
注: ①过滤器当量长度的取值,由生产厂提供; ②当异径接头的出口直径不变而入口直径提高1 级时,其当量长度应增大0.5 倍;提高2 级以上时,其当量长度应增大1.0 倍; ③表中的当量长度值是按海曾O威廉系数C = 120 时计算。
求各管件当量长度修正系数α的大小是系统安全可靠、经济合理的关键。
因此,α的取值须综合考虑经济流速及规范对各种管径所控制喷头数的要求,保证系统的安全可靠、经济合理。
由表3 可知,对某一管径式(1) 与式(2) 的比值随流量的增大而增大,而不是定值。
考虑系统的安全性因素,α值的大小宜按各种管径可能出现的最小流量来确定。
表3 中各种规格管径的最小流量是综合考虑经济流速及规范对各种管径所控制喷头数的要求,按各种规格管径可能服务的最小流量来确定的。
因此,取表3 中各种规格管径最小流量对应的式(1) 与式(2) 的比值为各种规格管径管件的当量长度修正系数α(见表4) 。
把表2 中的各管件当量长度值
除以表4 中相应管径的修正系数α, 则可得针对式(1) 的各管件当量长度值(见表5) 。
注: ①过滤器当量长度的取值,由生产厂提供; ②当异径接头的出口直径不变
而入口直径提高1 级时,其当量长度应增大0.5 倍;提高2 级以上时,其当量长度应增大1.0 倍; ③表中的当量长度值是按海曾-威廉系数C=120 时计算。
④直流的三通或四通局部水头损失忽略不计。
3 算例对比结合某中危险Ⅱ级工程,对局部水头损失分别采用“新规范”颁布前通常所使用的取沿程水头损失的20%、“新规范”中推荐的当量长度值及修正后的当量长度值来推求等三种方法进行水
力计算。
设计基本参数均为: ①喷水强度q[sub]0[/sub] = 8 L/(min•m[sup]2[/sup]) ; ②计算作用面积F = 160 m[sup]2[/sup] ; ③采用标准喷头,流量系数K = 80 ; ④最不利点喷头工作压力取P = 7mH[sub]2[/sub]O。
结果见表6～表8 。
表6 为管件的局部水头损失采用取沿程水头损失的20%进行水力计算的算例。
表7 为管件的局部水头损失采用表2 中当量长度值进行水力计算的算例。
表8为管件的局部水头损失采用表5 中当量长度值进行水力计算的算例。
由表6～表8 的水力计算结果可知:采用“新规范”中推荐的当量长度值来推求的局部水头损失最大,占沿程水头损失的84.6 % ,在横干管与立管接口处所需节点水压为41.
27 mH[sub]2[/sub]O。
比采用“新规范”颁布前通常所用的局部水头损失取沿程水头损失的20%的方法求出的节点水压26.60 mH[sub]2[/sub]O 大14.76 mH[sub]2 [/sub]O ,水头损失相差74.8 % ,流量相差4.17L/ s ,两种计算方法所求出的结果
相差较大。
其主要原因:首先,是原计算方法忽略了局部水头损失对喷头出流量的影响及20 %的取值偏低;其次,采用“新规范”中推荐的当量长度值来推求的局部水头损失时忽略了舍维列夫公式与海曾-威廉公式的不同,进而造成所求出的局部水头损失偏大。
而采用表5 中经过修正后的当量长度值进行水力计算,局部水头损失仅占沿程水头损失的45 % ,且水力计算算至横干管与立管接口处时节点水压为32.34 mH[sub]2[/sub]O ,比采用“新规范”中推荐的当量长度值来推求出节点水压低8.93 mH[sub]2[/sub]O。
此外,从管件当量长度值随口径的增大而增大及水力计算特点可知,对作用面积越大的危险等级及配对称的喷淋系统,采用修正前与修正后当量长度值进行水力计算,二者水力计算结果则相差更大。
4 结束语本文是基于在采用“新规范”引用的美、英等国的当量长度值计算出的局部水头损失正确的基础上,通过分析舍维列夫公式与海曾-威廉公式单位水头损失的差别,反推适合舍维列夫公式的管件的局部水头损失当量长度值。
局部水头损失的计算关系到系统的安全性和经济性,各种管件的局部水头损失的大小以及计算方法亟待通过试验研究加以验证,以便更好地指导工程设计,使所设计的自动喷水灭火系统既安全又经济。
另悉,为适应与国际接轨及给水管材的多样性特点, 《建筑给水排水设计规范》送审稿已把原规范中的舍维列夫公式改为海曾-威廉公式。
对自动喷水灭火系统管道的沿程水头损失计算公式是否也改为海曾-威廉公式也值得探讨。
参考文献1 聂梅生,姜文源,周虎城,等. 水工业设计手册- 建筑和小区给水排水. 北京:中国建筑工业出版社,2000 2 中华人民共和国公安部主编. 自动喷水灭火系统设计规范( GB50084 - 2001) . 北京:中国计划出版社,2001 3 周玉文,赵洪宾. 排水管网理论与计算. 北京:中国建筑工业出版社,2000 4 黄秉政. 浅议中、轻危险级喷水灭火系统的水力计算. 给水排水,2002 ,28 (2) :96～101。