谈新消规中的静水压力和动水压力

谈新消规中的静水压力和动水压力2015-06-2521:19专业分类：给水排水浏览数：980注：红色字体为作者本人对文章个别文字的修正完善。谈《消防给水及消火栓系统技术规范》中的静水压力和动水压力康丽（华诚博远（北京）建筑规划设计有限公司，北京100052）摘要从水力学概念入手，对《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB50974-2014）中静水压力、动水压力两个有争论的问题进行分析探讨，并对动水压力的计算进行了分析，供工程设计参考。关键词静水压力动水压力伯努利方程能量0引言《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB50974-2014，以下简称“水消规”）自2014年10月1日起开始实施，规范术语中出现的“静水压力”和“动水压力”两个概念（以下简称“静压”、“动压”）在同行中引起了很多争论，同时“水消规”在10.1.3条及10.1.4条中给出了与之相关的计算公式。在此笔者从水力学概念入手，阐述对静压、动压这两个含义的理解。1对“水消规”中静压含义的理解静压在“水消规”中定义为：消防给水系统管网内水在静止时管道某一点的压力[1]，这个概念表达得很清晰，就是静水作用在管道上的压力。需要提醒的是，“水在静止时”这几个字，严谨地说应为零流量的意思，还应包括某些时刻加压设备处于开启状态而管网内未发生泄水时的情况，此时水也是静止状态，管道任一点的静水同时承受着开启的加压设备施加的压力。静压值在加压设备关闭和开启时会有差异，前者对于静水来说就是伯努利方程中的压能一项，即P/γ；后者数值参见本文第3节内容。2对“水消规”中动压含义的理解动压是争论的焦点，其定义是：消防给水系统管网内水在流动时管道某一点的总压力与速度压力之差[1]。笔者认同这一定义的结论，但有以下建议供规范编写参考。确切地说，规范中动压定义是动压值的计算方式，不能算作动压的定义。很多人对动压有困惑，是因为不知道动压的确切含义是什么。以计算方法做为术语概念的定义，确实简洁直观，但这又需要设计者对计算过程有清楚的理解和认识，如果对于概念本身的含义都不甚清晰，计算过程会让人更加疑惑，还会导致某些人主观上就把动压想象得过于深奥复杂，更何况计算过程的描述中还出现了总压力、速度压力这样的新概念。再回归到对动压含义的理解上，通俗地说，水开始流动以后，动水作用在受力面上的压力就是动压，动压是因水的流动造成的冲击力，又由于管路的各种阻力损失，导致了系统部分动压的损耗，所以不同的供水情形造成的动压值是不相同的。另外，通过学习“水消规”10.1.3及10.1.4条条文，笔者认为，定义中的“总压力”应理解为“总能量”，以水头表示，具体应指在动水状态下管道某一点具有的“剩余总能量”。“速度压力”应为流速水头，依照10.1.3条的公式进行计算。3对动压计算的理解3.1与伯努利方程的关系谈到动压计算，就不能不提伯努利方程。伯努利方程适用于无粘性不可压缩流体流态不随时间变化的定常流动，描述的是运动流体机械能守恒的规律，其基本表达式对于水泵加压供水管路可调整为：P/γ＋Z＋v2/2g＋管路损失总和＝总水头（常量），前面字母部分每一项分别对应的是压能、位能和动能[2]，最后的“管路损失总和”一项是以管网最不利点计算得出的，那么对于管道其他任一点来说，该项数值应包括已消耗的管路损失和剩余部分，二者之和仍等于“管路损失总和”。3.2对“总压力”的理解和计算水消规用于动压计算的“总压力”，即前面提到的“剩余总能量”，一直是按照伯努利方程中（P/γ＋v2/2g＋管路损失总和的剩余部分）考虑的，但笔者认为，在湿式系统中可不计入充水立管中的静水高度（在加压设备开启时，静水高度应属于压能P/γ数值中的一部分）。以自动喷水灭火系统为例，因为湿式管网是满水状态，且民用建筑大多只考虑一处火灾，即火灾时仅某个楼层着火部位的喷淋设施投入灭火，喷淋供水立管的管径也是不变的，因此，参与供水的喷淋立管中的静压水柱与方程中的P/γ，事实上是被抵消了静水高度这部分压能值（被抵消的P/γ值取决于充满水的立管高度，最大值为最大静压高差），这样“剩余总能量”只剩下（v2/2g＋管路损失总和的剩余部分）。各楼层喷淋系统只需以（v2/2g＋管路损失总和）为基础，校核在不同火灾部位及不同出水状况下的（v2/2g＋管路损失总和的剩余部分），不需再计算高差。但若某一楼层的喷淋配水管也服务于其他楼层、或是系统的供水方式改为上供下给，则还需另外考虑静压高差。笔者还认为，与泵房同楼层的最底层喷淋系统如果直接从喷淋主泵供水横管末端接出，不是从上行的喷淋立管上接出，则也应考虑计入P/γ这部分高差数值，但有待水力学试验证明。而对于消火栓系统，即使采取消防主泵设于底层的下供上给方式，但因为管网为环状供水，当底层供水干管局部出现故障时，系统依然存在上供下给的可能性，所以考虑计入静水高度更为稳妥。以上结论是以管网中的均匀流流态为前提的，若有其他因素使得管路中的流态发生了改变，不再是均匀流了，那么“剩余总能量”（总压力）的计算方式也会发生变化。但笔者同时认为，密闭管路的各用水点能够正常出流和管路中的均匀流流态互为因果关系。这样的结论或许又带来另一个疑问：若供水系统的立管较多，则是否应考虑不参与供水的立管中静压水柱对于供水扬程的反作用影响呢？由帕斯卡定律可知，开启的加压设备对底层供水横干管造成的压能，可以等值地向各个立管传递，这是由流体不同于刚体的特殊性质决定的。另外，对于干式系统的总压力计算，笔者认为，只有当管路充满水时各个用水点才会顺利出流，所以管中流态和湿式系统是一样的，仍可按照均匀流考虑，故干式系统各用水点处的总压力计算依然可以不计入充水立管中的静水高度。但要注意的是，在空管充水的开始时段，管内流态并不是均匀流。3.3对“速度压力”的理解及动压的计算结果“速度压力”是方程中的v2/2g（动能）一项，那么“总压力”与“速度压力”之差，就是“管路损失总和的剩余部分”，水消规将其定义为管道某一点的动压值。对于“速度压力”，笔者认为可以理解为用水点所需的工作压力或者自由水头，其实也可算做动压的一部分，而规范定义似乎将其排除在动压之外的做法也无不可，只要遵照执行、习惯了就可以了。不过笔者认为，这样规定容易使读者将动压理解为多余的压力。4结语规范条文是指导工程设计人员进行设计的重要依据，对于规范的各项规定，特别是很多基本概念的理解尤为重要，而基本概念大多来自流体力学或水力学。在这些学科中，准确判断流体的流态又是非常关键的前提条件，因为流态决定了计算公式的选择及正确的计算方式，这是我们做好给排水工程设计的重要根基。参考文献1GB50974-2014消防给水及消火栓系统技术规范2张也影．流体力学．北京：高等教育出版社，1986