王万通

摘要：直流水枪主要应用于室内消火栓以及消防救援队伍遂行灭火任务，水枪的射流性能决定了其灭火的效能。而水枪的充实水柱Sk这一性能参数是评估直流水枪灭火能力的重要指标。本文分析了水枪充实水柱的影响因素，基于射流机理将水枪射流进行机制划分，阐述了直流水枪射流水柱的破碎过程，为消防水枪更有效地应用于灭火救援提供理论支撑。

关键词：直流水枪;射流机理;充实水柱

1  直流水枪充实水柱研究与应用现状

直流水枪主要应用于室内消火栓系统以及消防救援队伍遂行灭火任务，是用水扑救火灾最常用的射水器具，目前在我国使用最广泛的直流水枪是直径19mm的直流水枪。直流水枪重要性能参数之一是充实水柱长度Sk。GB 50016-2014《建筑设计防火规范》[1]（以下简称建规）对充实水柱，即Sk值，定义为从水枪喷嘴起至射流90%的水柱水量穿过直径380mm圆孔处的一段射流长度。此处定义的充实水柱概念，以流量为标定方式，主要用以规范供水系统的压力。GB50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》[2]中提出室内消火栓栓口压力和消防水枪充实水柱，应符合下列规定：高层建筑、厂房、库房和室内净空高度超过8m的民用建筑等场所，消火栓栓口动压不应小于0.35MPa，且消防水枪充实水柱长度应按13m计算;其他场所，消火栓栓口动压不应小于0.25MPa，且消防水枪充实水柱长度应按10m计算。

目前国外对于水射流的研究，主要集中在高压水射流方面，消防水枪低压射流的特性还鲜见研究。国内一些学者对充实水柱做过相关研究，如李前林[3]比较分析了充实水柱的两种计算方法，进行了水枪喷嘴压力计算方法对比研究，提出了理论公式与实验系数组合法的半经验公式，来计算充实水柱与水枪喷嘴压力的关系。廖晓锋[4]通过分析射流稳定性，给出了提高消防炮射水充实段长度的喷嘴结构。他们的研究结论具有一定的参考意义，然而基于射流机理的充实水柱特性目前相关研究还是空白。水枪射流的充实水柱特性研究的主要内容为射流水滴的粒径分布情况、射流角度的影响以及射流破碎机理等。

2  水枪射流充实水柱特性分析

2.1  充实水柱影响因素

在研究消防水枪的射流时，通常将射流分为密集射流和分散射流，密集射流包含了射流核心不分散段和水流集中段，而水枪的分散射流段按照水滴平均粒径大小分为开花射流和喷雾射流。当分散射流的水滴平均直径在0.1～1mm之间时，称为开花射流;当分散射流的水滴平均直径小于0.1mm时，称为喷雾射流[5]。在灭火过程中，喷雾射流和开花射流汽化速度快，吸热冷却作用强，窒息效果好，有良好的冲击乳化作用和电器绝缘性能，消防灭火时用水量少，水渍损失小，除烟效果好，而且其隔绝热辐射效果好。

喷雾射流段以及开花射流段要经过带有一定动量的水柱输运至火场，建规中定义的充实水柱长度，在消防供水设计和灭火救援中，实际为密集射流的有效射程，这段射流水流量集中，既有开花射流又有喷雾射流，便于瞄准火点，并有一定的冲击力，能够使可燃物降温，有效地扑灭火灾[5]。直流水枪射流的充实水柱会受到多种因素影响，主要包括：物性参数、水枪设计以及实际射流环境影响。对于给定的D19mm水枪，其充实水柱长度的影响因素则主要受物性参数和环境变量影响。

2.2  定性分析

当射流水柱在空气中输运时，其运动形式是两相流动，是自由运动。为了从物理及气动阻力方面来分析射流特性，我们取一圆柱形微元体，由于所有的微元体都是失重状态，微元体的速度梯度极小，从充实段分离的主要原因是湍流的扰动、水自身的表面张力，以及与空气的撞击摩擦，如图1所示，图中α表示射流角度。直流水枪形成的射流核心段，其长度会随出口压力增大而减小，实际测算的Sk值，表征的意义为充实核心段至雾化段之间的一段密集射流段，并非字面表述的充实段。

2.3  射流角度对Sk影响分析

文献指出，充实水柱长度与射流角度相关性较小，可以忽略不计。这一特性可由理论推论得出。由定性分析可知，水枪射流受到空气动力学影响较大，低雷诺数时，阻力正比于速度、粘度和特征长度;而高雷诺数时，阻力正比于速度平方、密度和迎风面积。水枪射流为高雷诺数流动，根据风阻的计算公式，水滴在空气中的阻力为：

式中A为射流微团迎风面积，C为风阻系数，为微团瞬时运动速度，为水的密度。

对于不同射流角度的情况，运动方向上瞬时速度受重力和空气阻力影响：

为射流角度，即射流出口的速度方向与水平方向夹角，为微团质量。每一微小时刻微团运动距离，由式（1）、（2）得：

可变换为：

由于射流初速度一般在10m/s以上，（4）式中，，而的数量级在102-103，因此项可忽略不计：

同时，射流水由水枪出口至充实水柱长度，在空中停留时间较短，式（2）的时间项值较小，在射流过程中的值变化不大，水滴微团由水枪喷嘴沿射流方向运动，同时径向方向也有速度分量，当径向运动至20d处，即测得Sk处时，有：

值的变化较小，Sk值则主要取决于风阻系数、水滴微团的形态，而射流角度α对充实水柱的影响可忽略不计。

3  水枪射流破碎机制分析

3.1  射流破碎机制

射流破碎机理是受到惯性力、粘性力、表面张力和气动力的共同结果，可用雷诺数（Reynoldsnumber，液体惯性力和粘性力之比）、氣体韦伯数（Webernumber，气体惯性力和液体表面张力之比）这两个无量纲准则数来表征和分析[7]。

水枪射流由充实水柱的密集射流到分散开花射流再到喷雾射流，是由于水枪射水出流后射流的破碎与分裂。由于所涉及的物理机制不同，射流破碎在相关流动参数的不同区域表现出不同的特征[8]。选取型号QZG19的直流水枪，在通常情况下射流所涉及的参数如表1所示。当我们分析研究水枪的射流特性时，无量纲准则数综合考虑了多个变量的影响因素，对于不同工况下的射流情形同样适用。

當环境因素一定时，水枪射流的破碎长度，即充实水柱的维持尺度，与平均出流速度相关，可划分为滴落机制、Rayleigh机制、一阶风诱导破碎机制、二阶风诱导破碎机制以及雾化破碎机制[9][10]，其中前3种机制是低速射流时的射流破碎机制，形成的破碎液滴直径尺寸范围分布较宽;在二阶风诱导机制下，空气动力学作用力逐渐增强，与液相湍流共同影响射流的分解和破碎，得到的液滴直径远小于喷嘴直径d，同时在射流径向上的分散也会加强;雾化破碎机制下，气液速度差较大，水枪射流在喷嘴附近就开始发生全面雾化，射流径向上开始向外分布射流液滴，此时的射流核心长度和径向直径是混乱的。

3.2  直流水枪射流机制划分

空气的惯性力与射流水表面张力之间的关系用气体韦伯数表征，表示为：

式中，为空气密度，kg/m3;为水枪射流速度，m/s;为水枪喷嘴直径，m;为水的表面张力系数，N/m。

Farago&Chigier（1992）将射流的破碎用气体韦伯数进行了划分，分为三大类射流破碎机制：时，射流受空气影响较小，平均液滴直径为d的同数量级，射流连续性较强，此时处于为滴落机制、Rayleigh机制;时，液滴平均直径减小，射流核心段长度逐渐缩短，开花射流段变长，此时处于一阶风诱导破碎机制;时，射流破碎机制处于二阶风诱导破碎机制，射流离开喷射不远处就产生破碎，射流充实核心段缩短，水滴直径分布范围较广，并且远小于d，喷雾射流段增加;当继续增大，射流为直接雾化破碎。

针对于直流水枪，射流的物性参数和水枪的设计参数固定，其射流形态取决于水枪出口压力P。为分析韦伯数与水枪出口压力之间的关系，我们将压力水看作不可压缩流体，从水枪流入至射流出口过程利用伯努利方程得：

式中为枪入口流速。又由质量守恒定律：

进出口截面积分别为：

忽略射流进出口高差，由（8）、（9）、（10）得：

式中，为水枪进出口压力差（MPa），出水口处环境为大气压强，分子项可简化为2P;D为供水水带直径65mm，分母4次方项可简化为0，因此得：

将射流速度表达式带入气体韦伯数表达式得：

式（13）中P为水枪出口压力（MPa）的值，由公式可以看出，气体韦伯数与水枪出口压力为线性关系。为研究通常情况下的水枪射流，我们在这里取常温20℃下水和空气的密度，;在293K下水的表面张力系数为72.75×10-3N·m-1，，代入式中分别计算出水枪射流出口压力，最终将射流划分各阶段在坐标轴上显示得：

图2阐述了水枪出口压力不同时的射流阶段，当水枪射流在出口压力0.04MPa之后，受空气动力学影响因素不可忽略，并且当出口压力增大到0.17MPa进入二级风诱导破碎阶段;当出口压力为0.79MPa时，射流从水枪出口处就开始全面发生雾化机制，其充实核心（Jetcore）段基本消失，此时的充实水长度Sk内的射流水柱几乎全部为雾化水，水的动能有一部分转化为空气的动能，水柱裹挟空气，空气掺混到射流柱体。这也正说明了灭火实践中，当非密集射流段或者雾化段射流到着火建筑内，不仅将开花水和雾状水带入着火空间，也同时将具有一定动量的空气引流至室内。当射流水不能达到火点，熄灭可燃物时，引射的空气反而会加剧火势燃烧程度。

同时，需要指出的是，在不同的火灾情景下，环境温度有一定的变化，然而水的理化性质变化并不大，对式（13）的计算结果浮动较小，可以忽略不计。

4  结语

本文从水枪射流形态出发，阐述了充实水柱Sk的影响因素，并且从射流机理的角度划分了水枪射流的破碎机制。主要结论如下：

（1）射流角度对水枪射流的影响作用很小，充实水柱的长度主要取决于射流形态，而射流形态的直接相关参数为无量纲数气体韦伯数和雷诺数。

（2）根据射流出口压力与气体韦伯数的线性关系，指出了水枪出口压力在0.04～0.79MPa之间时，水枪射流受空气动力学影响程度由小至大，最终发生全面雾化。

下一步，笔者将会设计比原始测量方式更为合理和可靠的充实水柱测量实验装置，准确测量充实水柱长度，提出科学的充实水柱计算方法。

参考文献：

[1]GB 50016-2014.建筑设计防火规范[S].2014.

[2]GB 50974-2014.消防给水及消火栓系统技术规范[S].2014.

[3]李前林.水枪喷嘴压力计算方法对比研究[J].武警学院学报，2012，28（02）：17-19.

[4]廖晓锋.优化喷嘴结构提高消防炮射水充实段长度[J].消防界（电子版），2019，5（02）：59-60.

[5]李本利，杨素芳.火场供水[M].中国人民公安大学出版社，

2017.

[6]张学魁.消防供水[M].北京：群众出版社，1995.

[7]曾纬.直喷液体射流及闪急沸腾喷雾的特性及机理研究[D].上海交通大学，2012.

[8]Lin SP，Reitz RD.Drop and spray formation from a liquid

jet[J].Annurevfluid Mech，1998，30（1）：85-105.

[9]AH Lefebvre.Atomization and sprays.Hemisphere Publishing

Corporation，New York，1989.

[10]N Chigier，RD Reitz.Regimes of jet breakup and breakup

mechanisms （physical aspects）

Research on characteristics of full water

spout through fire nozzles based on jet mechanism

Wang Wantong

China Fire and Rescue Institute

Abstract：Fire nozzles are mainly used for indoor fire hydrant and fire and rescue team to carry out firefighting task. The jet performance parameters of fire nozzles are important indexes to evaluate the fire extinguishing ability of fire nozzles. Under the given jet condition， full water spout （Sk） is an important index to evaluate the fire extinguishing ability of fire nozzles. In this paper， the influencing factors of full water spout are analyzed. Based on the jet mechanism， the mechanism of water jet of water gun is divided， and the forming and breaking process of water column are described. The full water spout is obtained， which provides theoretical support for the fire nozzles to be more effectively used in firefighting and rescue.

Keywords：fire nozzle; jet mechanism; full water spout