消防水力学基础知识

消防水力学基础知识吴士华工程师主讲第一节水的性质水是无嗅无味的液体，其不仅取用方便，分布广泛，在化学上呈中性，无毒，且冷却效果非常好。因此，水是最常用、最主要的灭火剂。一、水的基本特性水有三种状态：固体，液体和气体。液体与固体的主要区别是液体容易流动，液体与气体的主要区别是液体体积不易压缩。水在常温下为液体，在常压下、水温超过100℃时，蒸发成气体，水温下降到0℃时，即凝结成固体称为冰①水温升高1℃，单位体积的水需要吸收的热量，称为比热容。②若将水的比热容作为1，则其他液体的比热容均小于1，水比任何液体的比热容都大。1L水温度升高1℃，需要吸收4200J的热量。③若将1Ｌ常温的水(20℃)喷洒到火源处，使水温升到100℃，则要吸收热量336kJ。④水的比热容大，因而用水灭火、冷却效果最好。(一)水的比热容(二)水的汽化热单位体积的水由液体变成气体需要吸收的热量称为汽化热。水的汽化热很大1L100℃的水，变成100℃的水蒸气，需要吸2264kJ的热量。因此，将水喷洒到火源处，使水迅速汽化成蒸汽，具有良好的冷却降温作用。水变成蒸汽时体积扩大,1L水变成水蒸气后体积扩大1725倍，且水蒸气是惰性气体，占据燃烧区空间，具有隔绝空气的窒息灭火作用。实验得知，水蒸气占燃烧区的体积达35％时，火焰就将熄灭。(三)水的冰点纯净的水当温度下降到0℃时，开始凝结成冰。水结成冰时，释放出溶解热335kJ／L。水结成冰，由液体状态变成固体状态，水分子间的距离增大，因而体积随之扩大。因此，在冬季应对消防给水管道和储水容器进行保温，以免水结成冰时体积扩大，致使消防设备损坏。处于流动状态的水不易结冰。因此，为不使水带内的水冻结成冰，在冬季火场上，当消防队员需要转移阵地时不要关闭水枪。若需要关闭时，应关小射流，使水仍处于流动状态。二、水的主要物理性质(一)密度和容重液体单位体积内所具有的质量称为密度。液体单位体积内所具有的重量称为容重。不同液体的密度和容重各不相同，同一种液体的密度和容重又随温度和压强而变化。在正常大气压强条件下，水在不同温度时的容重见表4-1。水在4℃时容重最大，此时1L纯净的水重1kg。温度（C）041020304060100容重(N／m)98069807980197899764973096429399表4—1灭火基本原理和措施3(二)黏滞性当水在流动时，水分子之间、水分子与固体壁面之间的作用力显示为对流动的阻抗作用，即显示出所谓黏滞性阻力(内摩擦阻力)，水的这种阻抗变形运动的特性就称为黏滞性。粘滞性是水在管道或水带内流动产生水头损失的内因。黏滞性在液体静止或平衡时是不显示作用的。(三)压缩性水的体积随压力增加而减小的性质称为水的压缩性。在密闭容器内液体表面上，用活塞加压，液体就受到压力，受压后的液体体积要缩小。根据实验，把温度为20℃在0．1MPa(兆帕）压力作用下的水体积作为1，不同压力时的水体积如表4-2。表4—2温度为20℃不同压力时的水体积压力(MPa)0.11020304050水体积1.00000.99430.98970.98530.98100.9766从表4-2中可以看出，随着压力增加水体积变化不大。因此，通常把水看成是不可压缩的液体。但对个别特殊情况，水的压缩性不能忽略。如水枪上的开关突然关闭时，会产生一种水击现象，在研究这一问题时，就必须考虑水的压缩性。(四)膨胀性水的体积随水温升高而增大的性质称为水的膨胀性。根据实验，在常压10℃~20℃的水，温度升高1℃，水的体积增加万分之—点五；在常压下70℃~95℃的水，温度升高1℃，水的体积增加万分之六。可以看出，其体积变化较小。因此，在消防设计和火场供水中水的膨胀性均可略去不计。液态水具有压缩性和膨胀性，通常状况下，二者的特性为压缩性小，膨胀性小。(五)溶解性溶质在水中的扩散称为溶解。物质能否在水中溶解，与物质分子的极性有关。凡是由极性分子或与水分子结构相似的分子组成的物质均易溶于水。如食盐、糖，丙酮、乙醚、乙醇等。与水分子极性不同的物质不易溶于水或不溶于水。如汽油、煤油、柴油、苯等。用水可以扑灭易溶于水的固体物质火灾；如：煤。用水可以扑救比水重且不溶于水的可燃液体；如：二硫化碳、沥青。用水可以稀释溶于水的可燃液体，如：乙醇。使火灾得到控制或扑灭。(六)水的导电性水的导电性能与水的纯度、射流形式等有关。水中含有杂质越多，电阻率越小，导电性能越大。水的导电性能与水的密度、射流形式等有关，杂质越多，直流射流，导电性能越大。纯净水电阻率很大，为不良导体。天然水源一般都含有各种杂质，因而称为良导体。流散于地面上的水，均能导电，在火场上应防止触电。三、水的化学性质(一)水的分解水由氢、氧两元素组成。灭火时消防射流触及高温设备，水滴瞬间汽化，体积突然扩大，会造成物理性爆炸事故。当水蒸气温度继续上升超过1500℃以上时，水蒸气将会迅速分解为氢气和氧气：2H2O＝2H2↑+O2↑氢气为可燃气体，氧气为助燃气体，氢气和氧气相互混合，形成混合气体，在高温下极易发生化学性爆炸，其爆炸范围广，爆炸威力大。若无可靠的防范措施，就会造成火灾爆炸事故。(二)水的化学反应水能与许多物质起化学反应。1．水与活泼金属反应水与活泼金属锂、钾、钠、锶、钾钠合金等接触，将发生强烈反应。这些活泼金属与水化合时，夺取水中的氧原子，放出氢气和大量的热量，使释放出来的氢气与空气中氧气相混合形成的爆炸性混合物，发生自燃或爆炸。2Na+2H20＝2NaOH+H2↑+热量2．水与金属粉末反应水与锌粉、镁铝粉等金属粉末接触，在火场高温情况下反应较剧烈，放出氢气，会助长火势扩大和火灾蔓延。Zn+H2O＝ZnO+H2↑金属铝粉和镁粉相互混合的镁铝粉与水接触，比水单独与镁粉或铝粉接触反应强烈得多。水与镁粉或铝粉单独接触时，在反应过程中生成不溶于水的氢氧化铝和氢氧化镁沉淀，而氢氧化铝和氢氧化镁是不燃烧的薄膜，覆盖在金属表面，阻碍着铝粉和镁粉的继续燃烧。而水与镁铝粉接触，则同时生成偏铝酸镁。偏铝酸镁溶解于水，因而使镁铝粉表面不能形成不燃的薄膜，使水与镁铝粉无障碍地继续反应，放出氢气和大量的热量，这在火场上会助长燃烧或发生爆炸现象。3．水与金属氢化物反应水与氢化锂、氢化钠、四氢化锂铝、氢化钙、氢化铝等金属氢化物接触，氢化物中的金属原子与水中的氧原子结合，则氢化物和水中的氢原子放出，产生大量的氢气，会助长火势。NaH+H20＝NaOH+H2↑+热量AlH3+3H20＝Al(OH)3+3H2↑4．水与硅金属化合物反应水与硅化镁、硅化铁等接触，会释放出自燃物四氢化硅，四氢化硅易与空气中的氧反应，发生自燃。Mg2Si十4H2O＝2Mg(OH)2+SiH45．水与碳金属反应水与碳化钙、碳化钾、碳化铝等接触时，碳化物中的金属原子与水中的氧原子结合，碳化物中的碳原子与水中的氢原子化合，生成易燃易爆的碳氢化合物气体，并释放出大量的热量：CaC2+2H20＝Ca(OH)2+C2H2↑+热量水与石灰氮(俗称电石，CaCN2)接触，能释放出可燃气体氨。不纯净的电石与水接触，还能释放出乙炔气。在火场上，这些碳氢化合物(如乙炔、甲烷和氨等)都有助长火势扩大和火灾蔓延的可能。6．水与硼氢类物质化学反应水与硼氢类物质，如二硼氢、硼氢化钾、硼氢化钠等接触，释放出氢气和大量的热量。B2H6+6H2O＝2H2BO3+6H2↑+热量7．水与磷化物发生反应水与磷酸钙、磷化锌等磷化物接触，生成磷化氢，磷化氢在空气中能自燃。Ca3P2+6H2O3＝3Ca(OH)2+2PH3↑+热量水与某些化学物质接触，有可能发生自燃，释放出可燃气体和大量热量以及有毒气体等，从而引起燃烧或爆炸。因此，在扑救火灾时应根据物质的性质，采取相应的灭火剂。凡与水接触能引起化学反应的物质严禁用水扑救。第二节水的灭火作用根据水的性质，水的灭火作用主要有冷却、窒息、稀释、分离、乳化等方面，灭火时往往是几种作用的共同结果，但冷却发挥着主要作用，水取用方便，分布广泛，同时由于水在化学上呈中性，无毒，且冷却效果非常好，因此，它是最常用、最主要的灭火剂。一、冷却作用二、窒息作用三、稀释作用四、分离作用五、乳化作用第二节水的灭火作用根据水的性质，水的灭火作用主要有冷却、窒息、稀释、分离、乳化等方面，灭火时往往是几种作用的共同结果，但冷却发挥着主要作用。水取用方便，分布广泛，同时由于水在化学上呈中性，无毒，且冷却效果非常好，因此，它是最常用、最主要的灭火剂一、冷却作用二、窒息作用三、稀释作用四、分离作用五、乳化作用第二节水的灭火作用根据水的性质，水的灭火作用主要有冷却、窒息、稀释、分离、乳化等方面，灭火时往往是几种作用的共同结果，但冷却发挥着主要作用。水取用方便，分布广泛，同时由于水在化学上呈中性，无毒，且冷却效果非常好，因此，它是最常用、最主要的灭火剂一、冷却作用二、窒息作用三、稀释作用四、分离作用五、乳化作用第二节水的灭火作用根据水的性质，水的灭火作用主要有冷却、窒息、稀释、分离、乳化等方面，灭火时往往是几种作用的共同结果，但冷却发挥着主要作用。水取用方便，分布广泛，同时由于水在化学上呈中性，无毒，且冷却效果非常好，因此，它是最常用、最主要的灭火剂一、冷却作用二、窒息作用三、稀释作用四、分离作用五、乳化作用第二节水的灭火作用根据水的性质，水的灭火作用主要有冷却、窒息、稀释、分离、乳化等方面，灭火时往往是几种作用的共同结果，但冷却发挥着主要作用。水取用方便，分布广泛，同时由于水在化学上呈中性，无毒，且冷却效果非常好，因此，它是最常用、最主要的灭火剂。一、冷却作用二、窒息作用三、稀释作用四、分离作用五、乳化作用五、乳化作用非水溶性可燃液体的初起火灾，在未形成热波之前，以较强的水雾射流或滴状射流灭火，可在液体表面形成“油包水”型乳液，乳液的稳定程度随可燃液体黏度的增加而增加，重质油品甚至可以形成含水油泡沫。水的乳化作用可使液体表面受到冷却，使可燃蒸气产生的速率降低，致使燃烧中止。第三节消防射流一、消防射流(一)消防射流的定义消防射流是指灭火时由消防射水器具喷射出来的高速水流。(二)消防射流的类型常见的射流类型有密集射流和分散射流两种类型。1．密集射流高压水流经过直流水枪喷出，形成结实的射流称为密集射流。密集射流靠近水枪口处的射流密集而不分散，离水枪口较远处射流逐渐分散，如图4-2所示。密集射流耗水量大，射程远，冲击力大，机械破坏力强。建(构)筑物室内消火栓给水系统中配备的直流水枪和消防车上使用的直流水枪，都是以密集射流扑救火灾。2．分散射流高压水流经过离心作用、机械撞击或机械强化作用使水流分散成点滴状态离开消防射水器具，形成扩散状或幕状射流称为分散射流。分散射流根据其水滴粒径大小又分为喷雾射流和开花射流两种类型。(1)喷雾射流。喷雾射流由喷雾水枪产生。喷雾射流的特点是控制面积大，用水量省，燃烧区蒸汽浓度大，吸收大量汽化热，隔绝空气，降低空气中含氧量，有良好的冷却和窒息作用，同时，水渍损失小，除烟效果好。(2)开花射流。分散射流时，用来降低热辐射的伞形水射流，称为开花射流。开花射流由开花水枪或多用水枪产生。开发谢流一般用来掩护消防队员、保护邻近设施、冷却可燃液体储罐容器等。二、消防射水器具消防射水器具是把水按需要的形状有效地喷射到燃烧物上的灭火器具，包括消防水枪和消防水炮。(一)消防水枪消防水枪是指由单人或多人携带和操作的以水作为灭火剂的喷射管枪。消防水枪根据射流形式和特征不同可分为:直流水枪、喷雾水枪、开花水枪、多用水枪等。1．直流水枪直流水枪是一种喷射密集充实水流的水枪，具有射程远、水量大、冲击力强等优点。室内消火栓系统中配备的直流水枪，是以密集射流灭火的。(1)直流水枪的分类和构造直流水枪分为普通直流水枪和开关式直流水枪两种。直流水枪是由枪筒和喷嘴所组成。水枪喷嘴一般采用具有向出口断面