艦船彈庫噴淋系統(tǒng)壓力損失分析及管路優(yōu)化設(shè)計(jì)

，，

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015)

彈庫是易燃易爆的高危場(chǎng)所，發(fā)生火災(zāi)將嚴(yán)重威脅艦船的戰(zhàn)斗力和生命力，必須為艙內(nèi)配置高效、節(jié)能的滅火系統(tǒng)。由于取水方便且成本低廉，采用海水作為工作介質(zhì)的水滅火系統(tǒng)在艦船消防系統(tǒng)應(yīng)用中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。任何水滅火系統(tǒng)都必須借助管道、控制閥組、噴嘴及各種管接頭等來實(shí)現(xiàn)滅火用水的輸送、控制及噴淋，由于流體自身的黏性，其經(jīng)過彎頭、閥件、節(jié)流孔處等將產(chǎn)生遠(yuǎn)大于直管的能力損失[1-6]。艦船消防總管的水流經(jīng)過閥組、各分支管管路到達(dá)最末端噴頭，管路逐漸變細(xì)，水壓及流量也隨之降低，噴頭入口壓力不能得到有效保證，將直接影響到噴淋滅火效果乃至彈庫的安全。在噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)及管網(wǎng)布局中，流體壓力損失是必須考慮的關(guān)鍵因素，如何在艦船消防系統(tǒng)壓力不高的情況下，確保所有噴頭供水壓力滿足要求，精確計(jì)算系統(tǒng)中間各環(huán)節(jié)的壓力損耗，并進(jìn)行有效控制、改進(jìn)、選型等使系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)得以優(yōu)化尤為重要。

選取噴淋系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分析其系統(tǒng)構(gòu)成，以及流體在管路中壓力損失的影響因素，提出管路設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則和減少壓力損失的措施，為噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、布局提供參考和依據(jù)。

1 噴淋系統(tǒng)概況

噴淋系統(tǒng)主要由啟閉控制閥組、開啟機(jī)構(gòu)、泄漏檢測(cè)裝置、壓力指示表、主管道、上下分管、噴淋支管及噴頭等組成。噴淋系統(tǒng)入口配置有手動(dòng)截止閥與消防總管連接，然后經(jīng)過啟閉控制閥組、噴淋主管、分管、支管等將噴淋用水送達(dá)每一個(gè)噴頭。消防總管布置在艦船艙室外的通道內(nèi)，因此，手動(dòng)截止閥、啟閉閥組、開啟機(jī)構(gòu)等也都布置在艙外通道下方以方便操作及維修，噴淋主管垂直向上接入艙室內(nèi)部將消防水引入各噴淋分管、支管。艙內(nèi)管路全部采用平面布局，設(shè)于被保護(hù)區(qū)域的正上方。噴頭出水口朝下安裝在管路下部，噴頭的數(shù)量和布局應(yīng)保證噴淋水能完全覆蓋住整個(gè)被保護(hù)區(qū)域。

2 壓力損失計(jì)算模型

根據(jù)噴淋系統(tǒng)組成、布局及工作原理可知，系統(tǒng)中壓力損耗最大處為距消防總管最遠(yuǎn)、最高、最末端的噴頭，因此必須計(jì)算出該噴頭的入口壓力，使其滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)流體力學(xué)理論[7-8]，建立噴頭入口壓力pn的計(jì)算公式為

pn=p0-Δp

(1)

式中：p0為系統(tǒng)輸入壓力；Δp為總壓力損失。

總壓力損失Δp的計(jì)算公式為

Δp=∑(ΔpT+ΔpM+Δph)

(2)

式中：ΔpT為由管壁摩擦引起的沿程壓力損失；ΔpM為由閥件和管件引起的局部壓力損失；Δph為由管路升高引起的壓力損失。

由式(2)可知，壓力損失主要由沿程壓力損失、局部壓力損失和管路升高引起的壓力損失三部分組成。減少沿程壓力損失ΔpT的計(jì)算公式為

(3)

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；l為管道直線長度,m，dH為管道內(nèi)徑，m；ρ為流體密度，kg/m3；υ為液體截面的平均速度，m/s。

局部壓力損失ΔpM的計(jì)算公式為

(4)

式中：ζ為局部阻力系數(shù)。

管路升高引起的壓力損失Δph的計(jì)算公式為

Δph=ρ·g·h

(5)

式中：h為管路上升高度，m。

通過式(1)～(5)可知，影響壓力損失的變量因素主要為沿程阻力系數(shù)λ、局部阻力系數(shù)ζ以及管內(nèi)流速υ，因此，應(yīng)分析這些變量的計(jì)算模型及影響因素，進(jìn)而選取較小值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 阻力系數(shù)計(jì)算模型及分析

3.1 沿程阻力系數(shù)

噴淋管系中所有管路截面形狀全部為圓形，假設(shè)其內(nèi)壁光滑，則管道沿程阻力系數(shù)λ僅與雷諾數(shù)Re有關(guān)。

(6)

雷諾數(shù)是用來表征流體流動(dòng)情況的量綱一的量，其與管道直徑、流體流速成正比，與流體黏性成反比[9]。由式(6)可知，沿程阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而減小，因此，增大管徑、提高流速及改善管壁光滑度均可減小沿程阻力系數(shù)。但實(shí)際應(yīng)用中，管徑和流速都是經(jīng)過計(jì)算或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)行取值的，只能通過管材選用、優(yōu)化工藝等措施提高管道內(nèi)部光滑度來減小沿程阻力系數(shù)。

3.2 局部阻力系數(shù)

3.2.1 管徑擴(kuò)大時(shí)的局部阻力系數(shù)ζ

管徑擴(kuò)大見圖1。

管徑突然擴(kuò)大時(shí)，局部阻力系數(shù)ζ計(jì)算公式為

(7)

圖1 管徑擴(kuò)大

管徑突然擴(kuò)大會(huì)形成局部渦旋，造成較大的能量損失。從式(7)可知，管徑突然擴(kuò)大的程度越劇烈，局部阻力系數(shù)越大，同時(shí)還會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，設(shè)計(jì)中應(yīng)加以避免。

管徑逐漸擴(kuò)大時(shí)，局部阻力系數(shù)ζ的計(jì)算公式為

(8)

式中：K為與擴(kuò)散角θ有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)吉布森(A.H.Gibson)提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，K值與θ正相關(guān)：θ在5°～7°之間取值時(shí)K值最小，約為0.135，之后K值隨θ增大而急劇增大；θ在55°～80°之間取值時(shí)K值最大，約為1～1.22，之后K值隨θ的增大而有所回落，并穩(wěn)定在1附近。從式(8)可知，沿程阻力系數(shù)λ越大且管徑擴(kuò)大越劇烈，則局部阻力系數(shù)ζ也越大。

3.2.2 管徑收縮時(shí)的局部阻力系數(shù)ζ

管徑收縮見圖2。

管徑突然收縮時(shí)，局部阻力系數(shù)ζ計(jì)算公式為

(9)

圖2 管徑收縮

管徑突然收縮時(shí)，ζ主要取決于斷面收縮比，收縮程度越劇烈，則ζ值越大。

管徑逐漸縮小，當(dāng)θ<30°時(shí)，局部阻力系數(shù)ζ的計(jì)算公式為

(10)

當(dāng)θ=30°～90°時(shí)，局部阻力系數(shù)計(jì)算公式為

(11)

管徑逐漸收縮時(shí)，局部阻力系數(shù)ζ的計(jì)算公式比較復(fù)雜，不僅與斷面收縮比有關(guān)，還受沿程阻力系數(shù)λ、收縮角θ的影響。斷面收縮越劇烈，收縮角θ越小，則局部阻力系數(shù)ζ越大；而沿程阻力系數(shù)λ越小，則局部阻力系數(shù)ζ也越小。

3.2.3 彎管及折管的局部阻力系數(shù)ζ

彎管和折管見圖3。

圖3 彎管和折管

彎管的局部阻力系數(shù)ζ的計(jì)算公式為

(12)

折管的局部阻力系數(shù)ζ的計(jì)算公式為

(13)

3.2.4 三通接頭的局部阻力系數(shù)ζ

在管路的三通接頭處可能有各種方式的流動(dòng)，其局部阻力系數(shù)見表1。由表1可見，阻力系數(shù)不僅與接頭內(nèi)的流動(dòng)方式相關(guān)，還與三通接頭自身的角度有關(guān)，在設(shè)計(jì)中盡量按阻力系數(shù)小的流動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。

表1三通接頭的局部阻力系數(shù)

3.2.5 閥件的局部阻力系數(shù)ζ

由于閥件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)格多樣，通過當(dāng)量長度(L/D)法求出局部阻力系數(shù)，或采取類比法取得局部阻力系數(shù)后進(jìn)行壓力損失估算。計(jì)算值可以通過設(shè)置壓力探測(cè)裝置直接測(cè)量具體閥件進(jìn)出口兩端壓力差值的實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行檢驗(yàn)和對(duì)比。

上述局部阻力系數(shù)是在不受其他阻力干擾的孤立條件下進(jìn)行分析計(jì)算測(cè)定，實(shí)際安裝情況千變?nèi)f化，如，相鄰兩處阻力之間彼此干擾，將導(dǎo)致計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際值不同。在條件允許的情況下，盡可能減少管徑或流向的頻繁改變，以減少局部壓力損失。

4 噴淋管路優(yōu)化設(shè)計(jì)原則及減少壓力損耗措施

通過對(duì)噴淋系統(tǒng)的壓力損失和各環(huán)節(jié)的阻力系數(shù)進(jìn)行分析，提出對(duì)管路設(shè)計(jì)需遵循的原則及減小壓力損耗的措施。

1)合理選擇總管道內(nèi)的流速。根據(jù)計(jì)算模型分析可知，管道的沿程壓力損失和局部壓力損失都與管內(nèi)流速υ的平方成正比。流速太高不僅造成能量損失過大，而且會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲及氣穴等問題，導(dǎo)致管道使用壽命降低，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作；而流速過低又會(huì)降低系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，同時(shí)造成管徑和閥類元件尺寸過大，使系統(tǒng)的重量、空間體積以及造價(jià)成本都相應(yīng)增加[10-12]。

2)計(jì)算各分支管的管內(nèi)流速，合理選擇支管的管徑。要使各支管內(nèi)流速均勻，避免因劇烈變徑引起流速忽快忽慢而產(chǎn)生的振動(dòng)。

3)在管系的設(shè)計(jì)和計(jì)算過程中，盡量不采用突變管，而是采用漸變管且擴(kuò)散角θ應(yīng)盡量小，結(jié)合艙內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境，優(yōu)化管道的走向，盡量少置彎頭和連接管件，以降低不必要的壓力損失。

4)采取工藝措施保證管道內(nèi)壁光滑。選取合適的管材，支管焊接后及時(shí)清除內(nèi)壁上的焊渣并打磨光整，酸洗后及時(shí)吹干、密閉，保持內(nèi)壁的光潔、干燥。

5)選擇控制彎管半徑R，以減小因管道轉(zhuǎn)向帶來的壓力損失，控制彎管工藝保持彎管內(nèi)孔為圓形。推薦R值取約2倍管徑。

6)根據(jù)水流流動(dòng)的方向減小支流管與總流管之間的夾角，或用圓角、斜角過渡。

7)具體分析閥件和管件造成壓力損失過大的原因，優(yōu)化設(shè)計(jì)改善流動(dòng)狀況以減小阻力。

5 結(jié)論

通過應(yīng)用流體力學(xué)理論，結(jié)合噴淋系統(tǒng)組成、布局，分析出造成系統(tǒng)壓力損失的3個(gè)因素分別為沿程壓力損失、局部壓力損失、管路升高引起的壓力損失，并分別建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)建立的壓力損失數(shù)學(xué)模型分析，確認(rèn)減少系統(tǒng)壓力損失需從減小沿程阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)以及降低管內(nèi)流速著手，分別對(duì)管徑擴(kuò)大、管徑縮小、管徑折彎、三通接頭及閥件型式等幾種工況的阻力系數(shù)及影響因素進(jìn)行研究，分析其關(guān)系及變化趨勢(shì)，提出噴淋系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則以及減小壓力損耗的措施。