CN107122516A - 一种灭火系统自段管道的沿程压力损失确定方法 - Google Patents

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Abstract

一种灭火系统自段管道的沿程压力损失确定方法，包括以下步骤：步骤①：选定灭火剂灭火管网系统；步骤②：根据热传递和伯努利方程推导灭火系统管道压力损失计算公式；步骤③：根据管网管道参数和设计流量计算对应的最小雷诺数Re；步骤④：根据雷诺数Re确定对应管道的沿程压力损失系数λ；步骤⑤：修正沿程压力损失计算公式；步骤⑥：求解压力损失修正系数α的值。本发明提供了一种计算便捷、精度较高的灭火系统自段管道的沿程压力损失确定方法。

Description

一种灭火系统自段管道的沿程压力损失确定方法
技术领域
本发明属于灭火系统领域，涉及一种灭火系统自段管道的沿程压力损失确定方法。
背景技术
目前，大多研究集中在水、空气、氮气、液压系统、汽车消声器、排气催化器、三氟甲烷等方面的管网压力损失计算，采用常规的灭火系统管网压力损失的计算方法和计算公式进行设计和计算式，由于灭火剂在喷放过程中，存在气化、高压氮气融入、管网参数及温变、速变等问题，所以其管网压力损失计算是一个多因素耦合、动态变化的复杂过程，导致理论计算结果和实际总是存在较大的误差。
发明内容
为了克服已有灭火系统管网压力损失计算方法的计算复杂、精度较低的不足，本发明提供了一种计算便捷、精度较高的灭火系统自段管道的沿程压力损失确定方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种灭火系统自段管道的沿程压力损失确定方法，包括以下步骤：
步骤①：选定灭火剂灭火管网系统；
步骤②：根据热传递和伯努利方程推导灭火系统管道压力损失计算公式；
步骤③：根据管网管道参数和设计流量计算对应的最小雷诺数Re；
步骤④：根据雷诺数Re确定对应管道的沿程压力损失系数λ；
步骤⑤：修正沿程压力损失计算公式；
步骤⑥：求解压力损失修正系数α的值。
进一步，所述步骤②中，灭火系统管道压力损失计算公式如下：
式中，ΔP为压力损失，λ为沿程压力损失系数；ρ为灭火剂的密度；β为热量传递系数，d为管道直径；v为流体流速，l为管段长度，d为管直径，g为重力加速度，c为灭火剂比热容，T1、T2分别为管两端温度。
所述步骤③中，雷诺系数Re的计算公式为：
式中，d为管道直径；v为流体流速；ρ为七灭火剂的密度；μ为灭火剂的动力粘度。
更进一步，所述步骤④中，沿程压力损失系数计算公式为：
式中，λ为沿程压力损失系数；d为管道直；Δ为管道的绝对粗糙度；
所述步骤⑤中，将公式(12)带入公式(6)得沿程压力损失计算公式为：
将公式(13)中的热量传递部分与管道摩阻损失整合在一起，通过设置系数α，进而得到如公式(14)所示的灭火剂灭火系统管网压力损失计算公式的修正公式：
式中，α为管网压力损失计算修正系数；
再进一步，所述步骤⑥中，变换灭火剂速度进行计算，得到压力损失值△P，根据公式(14)计算的压力损失修正系数α。
本发明的技术构思为：确定灭火剂系统后，结合热量传递和伯努利方程，根据管网管道参数和设计流量确定最小雷诺(Re)，进而确定沿程压力损失系数λ，获得修正沿程压力损失计算公式和修正系数α，以达到理论计算和实际中的高精度和高效率。
本发明的有益效果主要表现在：计算便捷、精度较高。
附图说明
图1是本发明确定方法的流程图；
图2是建立模型管道中管流示意图；
图3是管道管径选取原则图；
图4是管道流量、流速和雷诺系数关系数值结果图；
图5是建立管道实际模型图；
图6是不同流速条件下的压力损失ΔP及修正系数α的数值图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图6，一种灭火系统自段管道的沿程压力损失确定方法，包括以下步骤：
步骤①：选定灭火剂灭火管网系统；
步骤②：根据热传递和伯努利方程推导灭火系统管道压力损失计算公式；
步骤③：根据管网管道参数和设计流量计算对应的最小雷诺数(Re)；
步骤④：根据雷诺数(Re)确定对应管道的沿程压力损失系数计算值λ；
步骤⑤：修正沿程压力损失计算公式；
步骤⑥：求解压力损失修正系数α的值。
基于上述方法，本实施例以七氟丙烷灭火剂为例，一种基于修正系数的自段管道的沿程压力损失确定方法；
参照图2所示，步骤②中，建立模型管道中管流示意图，由伯努利方程可得：
式中α1、α2分别为速度系数；hf为圆管沿程压力损失；ρ为灭火剂的密度；β为热量传递系数，Z1、Z1为管道直径；v为流体流速，g为重力加速度，
从1-1截面到2-2截面，从外界吸收的热量为：
Q＝cm(T2-T1) (2)
式中c为七氟丙烷热比容；Q为七氟丙烷吸热量；
因此，如果温度变化对压力的影响也考虑在内，在保证单位统一的条件下将公式(1)(2)统一起来可得：
式中β表示热量传递系数，由于是水平圆管，所以Z1＝Z2，α1＝α2，v1＝v2，所以公式(3)可简化为：
因此，两端面压力差为：
ΔP＝P1-P2＝ρghf+βρgc(T2-T1) (5) 将达西公式带入公式(5)可得：
式中，λ为沿程压力损失系数；ρ为七氟丙烷密度；β为热量传递系数；
参照图3，所述步骤③中，由管道管径选取原则图，其中雷诺系数(Re)的计算公式为：
式中d为管道直径(mm)；v为流体流速(m/s)；ρ为七氟丙烷液体密度为 1407kg/m^3；μ为七氟丙烷液体的动力粘度取值2.26x10^-4Pa.s。
参照图4，管道流量、流速和雷诺系数关系数值结果图，其中七氟丙烷灭火系统所用钢管绝对粗糙度的取值一般为Δ＝0.15mm，可以预先估算出每种规格管径在满足设计要求的情况下对应的最小流量。当管道对应的流量为(0,6kg/s]，那么该管道对应最小流量为：
或者管道对应流量在区间为(6kg/s,160kg/s]，那么该管道对应的最小流量为：
如管道管径规格为根据公式(8)计算结果为满足管道流量大小要求；而根据公式(9)计算结果为不满足管道流量大小要求，所以当管道管径规格时，其最小设计流量为 Qmin＝0.5625kg/s。
根据管道管径规格，管道单位时间对应流量为：
则根据公式(10)可推导出对应的最小流速为：
将Qmin＝0.5625kg/s、七氟丙烷液态密度ρ＝1407kg/m3带入公式(11)，可计算出其对应的流速νmin＝2.623m/s。带入公式(7)，可进一步计算出其对应的最小雷诺数为Remin＝2.2127×10^5。
由上所述可知，把工程应用中常用规格管道所对应的最小流量、最小流速及对应最小雷诺数计算出来，具体结果参照图4；
参照图4，所述步骤④中，七氟丙烷灭火系统中，对于每一种规格的管道，灭火剂在管道中流动的最小雷诺数值都大于也就是说适合七氟丙烷气体灭火系统灭火剂管流的沿程压力损失系数计算公式为：
式中λ为沿程压力损失系数；d为管道直径(mm)；Δ为管道的绝对粗糙度 (mm)；
将公式(12)带入公式(6)可得沿程压力损失计算公式为：
式中l为管段的计算长度(m)；d为管段的直径(mm)；ρ七氟丙烷液体密度，为1407kg/m^3；Δ为流管的绝对粗糙度，为0.15mm；
所述步骤⑤中，为了计算方便和计算准确，将公式(13)中的热量传递部分与管道摩阻损失整合在一起，通过设置系数α，进而得到如公式(14)所示的七氟丙烷气体灭火系统管网压力损失计算公式的修正公式：
式中，α为管网压力损失计算修正系数；
参照图5是建立一根长2m、直径40mm的直管三维模型，前1m为紊流充分形成区，后面1m为实验测量区，边界条件为速度入口和自由出流管道实际模型图，利用软件fluent计算；在计算过程中，采用SimpleC算法求解压力速度耦合方程，动量、组分、湍动能和湍流耗散率方程的离散格式均采用二阶迎风差分格式，管道壁面采用标准壁面函数方法处理
所述步骤⑥中，由上变换七氟丙烷流体速度进行计算，可得实例中压力损失值△P和根据公式(14)计算的压力损失修正系数α；具体参照图6是不同流速条件下的压力损失ΔP及修正系数α的数值图中12次计算结果可计算出α的平均值大小为1.106，所以公式(14)可写为：
最后，根据本发明提供的灭火系统管网管道沿程压力损失确定方法，使得灭火系统管网沿程压力损失计算更加高精度、高效率和方便。

Claims (5)

1.一种灭火系统自段管道的沿程压力损失确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤①：选定灭火剂灭火管网系统；
步骤②：根据热传递和伯努利方程推导灭火系统管道压力损失计算公式；
步骤③：根据管网管道参数和设计流量计算对应的最小雷诺数Re；
步骤④：根据雷诺数Re确定对应管道的沿程压力损失系数λ；
步骤⑤：修正沿程压力损失计算公式；
步骤⑥：求解压力损失修正系数α的值。
2.如权利要求1所述的灭火系统自段管道的沿程压力损失确定方法，其特征在于：所述步骤②中，灭火系统管道压力损失计算公式如下：
式中，ΔP为压力损失，λ为沿程压力损失系数；ρ为灭火剂的密度；β为热量传递系数，d为管道直径；v为流体流速，l为管段长度，d为管直径，g为重力加速度，c为灭火剂比热容，T1、T2分别为管两端温度。
3.如权利要求2所述的灭火系统自段管道的沿程压力损失确定方法，其特征在于：所述步骤③中，雷诺系数Re的计算公式为：
式中，d为管道直径；v为流体流速；ρ为灭火剂的密度；μ为灭火剂的动力粘度。
4.如权利要求3所述的灭火系统自段管道的沿程压力损失确定方法，其特征在于：所述步骤④中，沿程压力损失系数计算公式为：
式中，λ为沿程压力损失系数；d为管道直；Δ为管道的绝对粗糙度；
所述步骤⑤中，将公式(12)带入公式(6)得沿程压力损失计算公式为：
将公式(13)中的热量传递部分与管道摩阻损失整合在一起，通过设置系数α，进而得到如公式(14)所示的灭火剂灭火系统管网压力损失计算公式的修正公式：
式中，α为管网压力损失计算修正系数。
5.如权利要求4所述的灭火系统自段管道的沿程压力损失确定方法，其特征在于：所述步骤⑥中，变换灭火剂速度进行计算，得到压力损失值△P，根据公式(14)计算的压力损失修正系数α。
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