胡國良，龍 銘，李 忠，王少龍

（華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

大空間建筑雖然豐富了人們的物質(zhì)文化生活，但對火災(zāi)消防提出了更高的要求。由于大空間建筑具有室內(nèi)面積大、高度高、人員或物品密集等特點，傳統(tǒng)的消防裝備已無法滿足其消防處置要求[1]。因此，對室內(nèi)大空間自動尋的噴水滅火系統(tǒng)開展研究非常有必要。然而現(xiàn)有國內(nèi)外研究都集中在研究火災(zāi)發(fā)生具體位置的精確判斷[2～4]，對噴水滅火系統(tǒng)的水流軌跡的研究相對較少，導(dǎo)致自動噴水滅火時定位精度不高，需要額外浪費水流量來滅火?，F(xiàn)階段，主要通過噴水實驗得到大量的實驗數(shù)據(jù)，這不僅耗費大量的人力物力，而且自動尋的效果也不明顯。基于此，本文設(shè)計了一種室內(nèi)大空間自動尋的噴水滅火系統(tǒng)，對水流軌跡進(jìn)行建模仿真，并把工作壓力、俯仰角度和安裝高度等工況參數(shù)作為考察對象，分析對水流射程以及落地速度的影響，為火源空間精確定位提供控制參考依據(jù)。

1 自動尋的噴水滅火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

噴水滅火系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊和精簡，所以不能選用需要較大空間范圍的傳動形式。另外，滅火系統(tǒng)的定位精度要求也比較高?？紤]到齒輪傳動工作平穩(wěn)、傳動效率高和壽命長，蝸輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu)緊湊，在一定條件下具有反行程自鎖能力，所以設(shè)計時采用齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動復(fù)合傳動的方式作為本系統(tǒng)動力傳遞的基本形式。

圖1 自動尋的噴水滅火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1所示為所設(shè)計的自動尋的噴水滅火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。它主要由水平傳動機(jī)構(gòu)、俯仰傳動機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的檢測機(jī)構(gòu)組成。滅火系統(tǒng)通過頂板1安裝在室內(nèi)大空間的頂部，外部供水管道通過法蘭3上的管螺紋與其相連接，把壓力水引入到滅火系統(tǒng)?；馂?zāi)未發(fā)生時，啟動探測器5處于監(jiān)測狀態(tài)；當(dāng)監(jiān)測到室內(nèi)有火災(zāi)時，會將火災(zāi)發(fā)生信號傳輸給主控制器，主控制器發(fā)出報警信號的同時啟動水平步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，安裝在水平步進(jìn)電機(jī)上的水平蝸桿隨之轉(zhuǎn)動并帶動與其嚙合的水平蝸輪2轉(zhuǎn)動；同時，與蝸輪2同軸的水平小齒輪11轉(zhuǎn)動并帶動與其嚙合的水平大齒輪4轉(zhuǎn)動，從而帶動整個裝置在水平方向上轉(zhuǎn)動。安裝在噴嘴上的水平探測器7進(jìn)行水平方向掃描，當(dāng)探測到火源信號時，水平步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動并啟動主控制器開始計數(shù)，當(dāng)火源信號消失時，停止主控制器計數(shù)并記錄下數(shù)值，水平步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)到一半數(shù)值的位置完成火源中心水平定位。與此同時，啟動俯仰步進(jìn)電機(jī)帶動俯仰尋的機(jī)構(gòu)完成火源中心俯仰定位。火源空間定位后開啟水閥對火源進(jìn)行噴水滅火。

2 水流軌跡數(shù)學(xué)建模

噴水滅火系統(tǒng)是利用水作為滅火介質(zhì)，通過噴射出的壓力水作用在火災(zāi)表面，阻斷火災(zāi)繼續(xù)燃燒，達(dá)到滅火的目的。如何使壓力水準(zhǔn)確作用在火災(zāi)表面十分關(guān)鍵，除了噴頭在程序控制下對火源中心位置進(jìn)行空間定位外，另外還要求在滿足允許誤差的條件下，水流最終落點能夠有效的落在火源的中心位置。

圖2 落水點與火點位置關(guān)系

圖2所示為落水點與火點的位置關(guān)系。當(dāng)噴頭在空間中已正對火源中心后，噴出的水由于諸多因素的影響，可能最終的落水點離火源中心區(qū)域的距離超出了有效滅火誤差范圍ε，即|X0-X|＜ε。這時，應(yīng)調(diào)整噴頭的俯仰角θ從而使射程X和火源距離X0之差在有效滅火誤差范圍ε內(nèi)。基于此，有必要建立符合實際的水流軌跡方程，推導(dǎo)出俯仰角θ與射程X的關(guān)系，優(yōu)化控制程序，提高滅火系統(tǒng)的滅火定位精度。

2.1 水流軌跡受力分析

圖3所示為水流的受力分析圖。水流在下落過程中，主要受自身重力G和空氣阻力F的影響。其中，自身重力與水流質(zhì)量有關(guān)，本分析中選取單位質(zhì)量的水流單元；空氣阻力F主要與空氣阻力系數(shù)K和水流速度V相關(guān)[5]，由于水流的噴射速度相對不高，所以近似認(rèn)為空氣阻力F與空氣阻力系數(shù)K和水流速度V的乘積成正比，即：

圖3 水流的受力分析

2.2 空氣阻力系數(shù)確定

空氣阻力由摩阻、渦阻和波阻三部分組成。根據(jù)實踐經(jīng)驗可知，當(dāng)飛行速度小于200m/s時，不會產(chǎn)生局部的激波現(xiàn)象，即不會產(chǎn)生波阻[6]。所以空氣阻力可以認(rèn)為是摩阻和渦阻兩部分，空氣阻力系數(shù)計算如下：

2.3 水流軌跡方程建立

以噴水滅火系統(tǒng)安裝位置的中心線與地面的垂足為坐標(biāo)系的原點O，以靠近火源的水平方向為坐標(biāo)系X軸的正方向，以垂直地面向上的方向為坐標(biāo)系Y軸的正方向，建立水流軌跡方程平面直角坐標(biāo)系。水流軌跡的初始條件為：t=0, x=0,y=h, α=θ，根據(jù)牛頓第二定律：

取單位質(zhì)量m=1，由式(3)可推出：

兩邊積分可得：

代入初始條件以及速度微分得：

兩邊積分得：

代入初始條件簡化并消除t可得：

式(8)泰勒級數(shù)展開并取前三項可得：

式(9)即為推導(dǎo)出來的水流軌跡方程，該方程反映了水流中各點的坐標(biāo)與安裝高度h、俯仰角度θ、出水口流速V2和空氣阻力系數(shù)K之間的關(guān)系。

3 水流軌跡建模仿真分析

3.1 水流軌跡仿真模型搭建

為了直觀地表達(dá)和反映水流軌跡曲線，采用MATLAB/Simulink模塊對水流軌跡進(jìn)行仿真分析。圖4所示為搭建好的水流軌跡曲線仿真模型。

通過輸入工作壓力、流量、進(jìn)水口直徑、俯仰角度以及安裝高度等初始參數(shù)即可進(jìn)行仿真，并得到相應(yīng)的水流軌跡曲線。

3.2 不同工況參數(shù)對射流特性的影響

圖5所示為不同俯仰角度下的滅火系統(tǒng)射程曲線。仿真時設(shè)定安裝高度為12m，同時設(shè)定五種典型的工作壓力。由圖5可知，工作壓力一定時，隨著俯仰角度的增大，射程也隨之增大，尤其是當(dāng)俯仰角在50°～60° 之間變化時，射程的變化幅值達(dá)到最大。同樣，隨著進(jìn)水壓力的增大，射程也相應(yīng)增大。當(dāng)工作壓力為0.8MPa，俯仰角達(dá)到極限角度60°時，射程能夠達(dá)到18.147m，滿足設(shè)計要求的最大保護(hù)半徑為18m的設(shè)計要求。

圖4 水流軌跡仿真模型

圖5 不同俯仰角度下射程變化曲線

圖6 不同工作壓力下射程變化曲線

圖6所示為不同工作壓力下的射程變化曲線，當(dāng)俯仰角在0°～30° 區(qū)間，射程隨壓力變化并不大，當(dāng)俯仰角在40°～60° 區(qū)間，隨壓力升高，射程也隨之增大，而且增大幅度也在逐漸增大。

噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計時要求安裝高度范圍為8m～12m之間，不同的安裝高度必會影響到水流射程。圖7比較了不同安裝高度下射程的變化情況，仿真時，系統(tǒng)工作壓力為0.6MPa，從圖中可看出，隨安裝高度的增高，射程也呈增大趨勢。

圖7 不同安裝高度下射程變化曲線

水流落地速度大小決定了水流落地時具有動能的強(qiáng)度。由動能定理可知，水流落地速度越大，水流具有的動能也越大，因此對火源的撲滅效果也就越好。圖8所示為不同俯仰角度下水流落地流速的變化關(guān)系。在工作壓力p=0.6MPa，安裝高度H=12m情況下，隨著俯仰角度的增大，水流落地速度逐漸減小。

4 結(jié)束語

所設(shè)計的室內(nèi)大空間自動尋的噴水滅火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能穩(wěn)定，能夠滿足大空間建筑室內(nèi)火災(zāi)的撲滅要求。

圖8 不同俯仰角度下水流落地流速變化曲線

噴水滅火系統(tǒng)水射流軌跡方程及仿真結(jié)果表明工作壓力、俯仰角度和安裝高度這些工況參數(shù)的增大能夠提高射程；水流落地速度與俯仰角度成反比。這都和實際測試情況相一致，可進(jìn)一步為火源空間精確定位提供理論參考依據(jù)。

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