消防水力学基础知识

1. 消防水力学基础知识 四川省消防总队教导大队 田继德

2. 主要内容： • 一、水的性质 • 二、水的灭火作用 • 三、消防射流

3. 消防水力学是研究消防给水实践中水的平衡和运动规律的一门科学，消防水力学的任务是应用流体力学的基本理论，加上火场灭火供水经验和消防水力试验数据、经验、公式来解决消防给水实践中的实际问题。消防水力学是研究消防给水实践中水的平衡和运动规律的一门科学，消防水力学的任务是应用流体力学的基本理论，加上火场灭火供水经验和消防水力试验数据、经验、公式来解决消防给水实践中的实际问题。

4. 一、水的性质

5. （一）水的基本特性 • 水有三种状态：固体、液体和气体。 • 液体和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。

6. 1、水的比热容大 • 水温升高1℃，单位体积的水需要吸收的热量，称为比热容。水的比热容是4200J/L。水的比热容大，因而用水灭火，冷却效果好。 • 2、水的汽化热高 • 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。水的汽化热是2264kJ/L，水的汽化热很大，将水喷到火源处，使水迅速汽化成蒸气，具有良好的冷却降温作用。 • 3、水结冰体积增大 • 纯净的水当温度下降到0℃时，开始凝结成冰。

7. （二）水的主要物理性质 • 1、密度和容重 • 液体单位体积内所具有的质量称为密度，水在4℃时，其密度是1000kg/m3。液体单位体积内所具有的重量称为容重，又叫重度，水在4℃时，其重度是9807N/m3。

8. 2、粘滞性 • 粘滞性在液体静止或平衡时是不显示作用的。由于水在管道或水带内流动要克服粘滞力，因此，会产生水头损失。 • 3、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。通常情况下，把水看成是不可压缩的液体。 • 4、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。在消防设计和火场供水中水的膨胀性可不考虑。

9. 5、溶解性 • 溶质在水中的扩散称为溶解。 • 用水可以扑灭易溶于水的固体物质火灾；用水可以扑救比水重且不溶于水的可燃液体，如CS2火灾； • 用水可以稀释溶于水的可燃液体，使火灾得到控制或扑灭。 • 6、导电性 • 在火场上，射水灭火时，应注意防止触电，喷雾水枪可以用来扑救高压电气火灾，但要有一定的安全距离。

10. 7、水压与水锤作用 • 水压是指水对容器壁和底部的压力，单位N。 • 压强是指单位面积上所受到的压力作用，单位N/m2或pa。 • 消防习惯上讲的压力不是对容器的压力,而是压强。 • 压强单位：工程单位制，大气压（at），千克/厘米2(kg/cm2),毫米汞柱(mmHg)，米水柱（ mH2O）；国际单位制，兆帕（Mpa），帕（pa），牛顿/米2 (N/m2),巴(bar)。 • 1标准大气压=760mmHg=10.33 mH2O • 1工程大气压=736mmHg=1kg/cm2=10mH2o • =0.1 Mpa=105 pa • 消防上常用工程大气压。

11. 水锤作用是指有压力的水在消防管道、水带内流动时，由于消防阀门、消火栓和水枪的迅速关闭或车辆碾压水带等作用，使管道、水带内水流瞬时改变流速，造成水压急速升高的现象。水锤作用是指有压力的水在消防管道、水带内流动时，由于消防阀门、消火栓和水枪的迅速关闭或车辆碾压水带等作用，使管道、水带内水流瞬时改变流速，造成水压急速升高的现象。 • 由于水锤作用可以使管道、水带内的压力增大到正常压力的几倍、几十倍甚至上百倍，极易导致管道水带破裂，造成供水中断。 • 水锤按阀门和水枪关闭时间长短分为完全水锤和不完全水锤两种。当关闭时间t≤2L/a时,称为完全水锤或直接水锤,式中L—管道或水带的长度,m，a—冲击波传递速度,m/s,直径≤0.2m的铸铁管a=1200 m/s，直径＞0.2m的铸铁管a=1435 m/s，新水带a=80 m/s,旧水带a=120 m/s；当关闭时间t＞2L/a时，称为不完全水锤或间接水锤。

12. 由此可见，水锤作用与管道、流速、长度有关，特别是关闭阀门、水枪的时间影响很大。在火场供水中，由于水锤的作用，常引起水带的破裂，造成火场供水中断，火势扩大，因此，在关闭管道阀门、水枪、分水器、驾驶员加压时应缓慢进行，以防止或减少水锤的破坏作用，同时还应防止车辆跨压充水的火场水带供水线路。由此可见，水锤作用与管道、流速、长度有关，特别是关闭阀门、水枪的时间影响很大。在火场供水中，由于水锤的作用，常引起水带的破裂，造成火场供水中断，火势扩大，因此，在关闭管道阀门、水枪、分水器、驾驶员加压时应缓慢进行，以防止或减少水锤的破坏作用，同时还应防止车辆跨压充水的火场水带供水线路。

13. （三）水的化学性质 • 1、水的分解 • 2H２Ｏ＝２Ｈ２↑＋Ｏ２↑ • ２、水的化学反应 • （1）水与活泼金属反应 • ２Ｎa+2H２O=2ＮaＯＨ＋Ｈ２↑＋Q • （2）水与金属粉末反应 • Zn +H２O= ZnＯ＋Ｈ２↑ • （3）水与金属氢化物反应 • NaH+ H２O=ＮaＯＨ＋Ｈ２↑＋Q • （4）水与金属硅化物反应 • Mg2Si+4 H２O=2Mg(ＯＨ)2＋SiＨ4

14. （5）水与金属碳化物反应 • CaC2+2H２O=Ca(ＯＨ)2＋C2Ｈ２↑＋Q • （6）水与硼氢类物质反应 • B２H6+6H２O=2H２BO3+6Ｈ２↑＋Q • （7）水与金属磷化物反应 • Ca3P2+6H2O=3Ca(OH) 2+2PH3↑＋Q • 由此可见，水与某些化学物质接触，有可能发生自燃，释放出易可燃气体和大量热量以及有毒气体，从而引起燃烧或爆炸。因此，凡与水接触能引起化学反应的物质严禁用水扑救。可用干沙、7150灭火剂扑救。

15. 二、水的灭火作用

16. 1、冷却作用 • 2、窒息作用 • 在一般情况下，空气中含有35%体积的水蒸汽时，燃烧就会停止。 • 3、稀释作用 • 4、分离作用，又称为水力冲击作用 • 5、乳化作用 • 水的主要灭火作用是冷却作用。

17. 三、消防射流

18. （一）消防射流类型 • 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。 • 常见的射流类型有密集射流和分散射流两种类型。

19. 1、密集射流 • 高压水流经过直流水枪喷出，形成结实的，水滴粒径大于1000um的射流称为密集射流。 • 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。

20. 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。

21. （1）喷雾射流。水滴粒径平均小于100um的分散射流，称为喷雾射流。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。（1）喷雾射流。水滴粒径平均小于100um的分散射流，称为喷雾射流。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，水滴平均粒径在100um~1000um之间，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。

22. （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。

23. 水枪（Q）

24. 脉冲水枪 多用水枪 喷雾水枪 直流水枪

26. 1、水枪的分类 • （1）按射水水流形态分为：直流水枪（水滴粒径d＞1000um）；开花水枪（水滴粒径d在100um~1000um之间）；喷雾水枪（水滴粒径d ＜100um）。 • （2）按操作方式分为： • 手持式水枪（水枪喷嘴口径≤19mm）； • 带架式水枪（水枪喷嘴口径＞19mm）。 • （3）按水枪功能分为：常规水枪；多用水枪（多用水枪既可喷射直流，又可喷射雾状射流，有的还可喷射水幕，对火场需要适应性强）。 • （4）按压力分为：低压水枪（工作压力在0.2~1.6Mpa之间）；中压水枪（工作压力在1.6~2.5Mpa之间）；高压水枪（工作压力在2.5~4.0Mpa之间）；超高压水枪（工作压力＞4.0Mpa）

27. 2、直流水枪 • （1）直流水枪的分类。 • 直流水枪是一种喷射密集充实水流的水枪，在灭火中，主要使用直流水枪，具有射程远、水量大，冲击力强等优点。 • 直流水枪又可分为普通直流水枪和开关式直流水枪两种。常用的直流水枪喷嘴口径有13mm、16mm、19mm三种。

28. （2）直流水枪的使用。 • 直流水枪的反作用力是指水枪射水时的后座力，水枪射流的反作用力，与射流方向相反，力的大小与射流喷出的作用力相等，射流的能量越大，产生的反作用力越大。因此，如变更射流方向时应缓慢操作；使用开关式直流水枪时，开关动作应缓慢进行，以免产生水击现象，造成水带爆破或影响消防员安全。

29. （3）水枪充实水柱 • 火场上水枪的充实水柱又叫水枪的有效射程，是针对直流水枪的密集射流而言的。充实水柱是这样定义的：手持式直流水枪，由水枪喷嘴起至射流90%的水柱水量穿过直径为38cm圆孔处的一段射流长度称为充实水柱。带架式直流水枪，由水枪喷嘴起至射流90%的水柱水量穿过直径为125cm圆孔处的一段射流长度称为充实水柱。通常情况下，水枪充实水柱是针对手持式直流水枪而言的，用SK表示。

30. 扑灭不同建筑物火灾对水枪充实水柱的要求不同：对于建筑高度不超过100m的高层民用建筑，SK不应小于10m；高层工业建筑和建筑高度超过100m的高层民用建筑，SK不应小于13m；甲乙类厂房、层数超过6层的公共建筑和层数超过4层的厂房（仓库），SK不应小于10m；高架仓库和体积大于25000m3的商店、体育馆、会堂、展览建筑，车站、码头、机场建筑等，SK不应小于13m；一般性的低层建筑，SK不应小于7m；地下工程SK不应小于10m；停车库、修车库，SK不应小于10m；扑灭室外火灾，SK应为10~15m；扑灭易可燃液体油罐火灾，石油化工火灾，SK不应小于17m。在火场上，最常用的SK为10~15m之间。扑灭不同建筑物火灾对水枪充实水柱的要求不同：对于建筑高度不超过100m的高层民用建筑，SK不应小于10m；高层工业建筑和建筑高度超过100m的高层民用建筑，SK不应小于13m；甲乙类厂房、层数超过6层的公共建筑和层数超过4层的厂房（仓库），SK不应小于10m；高架仓库和体积大于25000m3的商店、体育馆、会堂、展览建筑，车站、码头、机场建筑等，SK不应小于13m；一般性的低层建筑，SK不应小于7m；地下工程SK不应小于10m；停车库、修车库，SK不应小于10m；扑灭室外火灾，SK应为10~15m；扑灭易可燃液体油罐火灾，石油化工火灾，SK不应小于17m。在火场上，最常用的SK为10~15m之间。

31. （4）水枪的水力性能 水枪的水力性能是指水枪喷嘴压力hq与射水量Q、有效射程SK之间的关系。 火场上常采用19mm直流水枪，几种常用的有效射程与水枪喷嘴压力、射水量的技术数据是：

32. （5）水枪的控火能力 • ①水枪的控制面积 • 水枪的控制面积按下式计算： • A =Q/q • 式中：A——每支水枪的控制面积，m2； • Q——每支水枪的流量，L/s； • q——灭火用水供给强度，L/s·m2， q一般取0.12~0.2 L/s·m2。

33. 例，当火场有效射程为15m时，问一支19mm直流水枪的控火面积是多少m2？例，当火场有效射程为15m时，问一支19mm直流水枪的控火面积是多少m2？ • 解：19mm直流水枪， SK=15m， Q=6.5 L/s • 当q=0.12 L/s. m2时， A=Q/q=6.5/0.12=54 m2 • 当q=0.2 L/s. m2时， A=Q/q=6.5/0.2=32.5 m2 • 为便于应用，当建筑物内可燃物数量较少（火灾荷载密度 G≤50 Kg /m2）时，一支19mm直流水枪控制面积可按50 m2估算；当建筑物内可燃物数量较多（火灾荷载密度G＞50Kg/m2）时，一支19mm直流水枪控制面积可按30 m2估算。因此，一支19mm直流水枪的控火面积按30~50 m2估算。

34. ②水枪的控制周长 • 水枪的控制周长按下式计算： • L =Q/q • 式中：L——每支水枪的控制周长，m； • Q——每支水枪的流量，L/s； • q——灭火用水供给强度，L/s. m， • q一般取0.4~0.8 L/s. m。 • 通过计算，一支19mm直流水枪的控火周长为8~16m，一般按10~15m估算。 • 根据火场燃烧面积或燃烧周长和水枪的控制面积或控制周长，可以确定水枪数量，进而确定消防车数量。

35. 3、喷雾水枪 • 喷雾水枪是一种喷射雾状射流的消防水枪。 • 喷雾水枪的特点是：比密集充实射流有更好的冷却和窒息效果，对可燃液体及气体有吹灭和乳化作用，有良好的隔绝热辐射效果和电绝缘性能，有强烈的驱散烟气能力。该水枪适用于扑救建筑物室内火灾，带电设备火灾，可燃粉尘火灾及部分可燃液体和气体火灾等，还可稀释浓烟及可燃气体和氧气的浓度。 • （1）喷雾水枪的分类 • 喷雾水枪分为离心式喷雾水枪、机械撞击式喷雾水枪和簧片式喷雾水枪三种。

36. （2）喷雾水枪的使用 • a.合理确定喷雾角度。扑救一般火灾时，可取30~50°，增加射程。扑救强酸、碱等化工原料及粉状可燃物时，应适当扩大喷雾角，减少冲击力，防止飞溅事故的发生。 • b.扑救液体流淌火灾时，应有一定的俯射角，并以先近后远的顺序向前推进。 • c.扑救大面积可燃液体火灾初期，为防止水流夹带大量气流进入引起扰动，引起热辐射强度增加，应注意消防员的隔热防护。

37. 4、开花直流水枪 • 开花直流水枪是一种喷射直流水流和开花水流的水枪。由于开花直流水枪可以单独或同时喷射密集充实射流和伞形开花射流，常在火场中以伞形开花射流隔离热辐射，掩护消防员进入火场接近火源，以密集射流扑救一般固体物质火灾或冷却保护其他物质。

38. 5、多用水枪 • 多用水枪既可喷射密集射流，又可喷射雾状射流，有的还可喷射水幕，而且几种射流可以互换，组合使用，机动性能强，对火场需要适应性好。多用水枪最好不要用于扑救带电设备火灾，以免误操作造成伤害。 • 6、脉冲水枪 • 脉冲水枪是一种新型水枪，它主要由脉冲水枪、高压气瓶、贮水罐等部件组成，有效射程＞10m。其水渍损失小、用水量省、灭火效率高，可以喷射超细水雾，主要扑救初起、小面积的A、B、C类火灾、交通工具火灾和电气设备火灾。

39. 7、水炮（SP）、泡沫炮（PP） 水 炮 泡沫炮

40. 习惯上将流量＞16L/s的射水设备定义为消防水炮。消防水炮一般安装在消防车、消防艇上或油罐区、港口码头、大空间等场所。当发生大规模、大面积火灾时，由于强烈的热辐射和浓烟使消防员难以接近火源实施射水活动，或遇大风消防水枪射流会被冲散，在这些情况下，需要采用流量大、有效射程远的消防水炮进行灭火。习惯上将流量＞16L/s的射水设备定义为消防水炮。消防水炮一般安装在消防车、消防艇上或油罐区、港口码头、大空间等场所。当发生大规模、大面积火灾时，由于强烈的热辐射和浓烟使消防员难以接近火源实施射水活动，或遇大风消防水枪射流会被冲散，在这些情况下，需要采用流量大、有效射程远的消防水炮进行灭火。

41. （1）消防水炮的构造 • 消防水炮由操纵手柄、台座、回转锁定柄、双分水管、射水口集水弯管、可调节喷头、双手柄、压力表等组成。 • （2）消防水炮的分类 • 消防水炮按安装方式分为固定式、车载式和移动式水炮三种类型；按控制方式可分为手动消防水炮、电控消防水炮和液控消防水炮三种类型。

42. （3）消防水炮的性能参数 • PSD40型移动式水炮工作压力8x105pa，压力范围5~10x105pa，流量0~40L/s，直流射程≥60m，雾化角0~110 °，水平回转角360 °，最大仰角75 °。 • SP32型水炮系利用操纵杆控制俯仰和水平旋转，它既可装载于消防车上，也可固定于灭火系统上。额定工作压力1.2Mpa，出水口径有22、28、35mm,流量分别为22、28、35L/s，射程＞50ｍ，仰角7０°，俯角20 °，水平旋转360 °。

43. 消防水力学基础知识练习题

44. 一、判断题 • 1、水有三种状态：固体、液体和气体。液体和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。（√） • 2、水温升高1℃，单位体积的水需要的热量，称为比热容。（×）需要吸收的热量 • 3、水的比热容比其他液体的比热容都要小。（×）大 • 4、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。（√） • 5、纯净的水当温度下降到4℃时，开始凝结成冰。（×）0℃

45. 6、液体单位体积内所具有的重量称为密度。（×）质量6、液体单位体积内所具有的重量称为密度。（×）质量 • 7、液体单位体积内所具有的质量称为容重。（×）重量 • 8、水结成冰，由液体状态变成固体状态，水分子间的距离减小，因而体积随之减小。（×）距离增大，体积增大 • 9、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。（√） • 10、粘滞性在液体静止时是不显示作用的。（√） • 11、粘滞性是水在管道或水带内流动产生水头损失的内因。（√） • 12、水的体积随压力减小而增加的性质称为水的压缩性。（×）压力增加而减小

46. 13、通常把水看成是不可压缩的液体。（√） • 14、水的体积随水温升高而增大的性质称为水的膨胀性。（√） • 15、物质能否在水中溶解，与物质分子的极性有关。同水分子极性不同的物质易溶于水，与水分子极性相似的物质不易溶于水或不溶于水。（×）极性不同改为极性相似，极性相似改为极性不同 • 16、水中含有杂质越多，电阻率越大，导电性能越大。（×）电阻率越小 • 17、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。（√）

47. 18、水与锌粉、镁铝粉等金属粉末接触，在火场高温作用下反应较剧烈，会助长火势扩大和火灾蔓延。（×）放出氢气18、水与锌粉、镁铝粉等金属粉末接触，在火场高温作用下反应较剧烈，会助长火势扩大和火灾蔓延。（×）放出氢气 • 19、锂、钾、钠、锶、钾钠合金等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。（√） • 20、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，发生火灾。（×）发生火灾改为发生自燃 • 21、不纯净的电石与水接触，能释放出乙炔气。在火场上，乙炔有助长火势扩大和火灾蔓延的可能。（√）

48. 22、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，从而引起爆炸。（×）从而引起燃烧或爆炸22、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，从而引起爆炸。（×）从而引起燃烧或爆炸 • 23、凡与水接触能引起化学反应的物质严禁用水扑救。（√） • 24、高压水流经过直流水枪喷出，形成的射流称为密集射流。（×）形成结实的射流 • 25、多用水枪可以用于扑救带电设备火灾。（×）可以用于改为最好不要用于 • 26、由水枪喷嘴起至射流90%的水柱水量穿过直径为380mm圆孔处的一段射流长度称为充实水柱。（√） • 二、选择题（四选一）见考试指导手册P26

49. 谢 谢