[发明专利]预测闭式洒水喷头或感温探测器的响应时间的预测模型

权利要求书

1.一种预测闭式洒水喷头或感温探测器的响应时间的预测模型，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：基本假设

所述预测模型基于以下3个基本假设条件：

(1)喷头或感温探测器处在一块大空间且按相关规范要求安装在平坦的天花板下；

(2)在火灾发展的最初阶段，辐射热量传递过程忽略，对流热传递速度q_conv为影响喷头或感温探测器响应的主要因素；

(3)对流热量传递系数与流经喷头或感温探测器内热敏感元件的气体速度成比例；

步骤二：模型基本原理

采用火焰及顶棚射流模型来预测流经喷头的火灾气流温度和速度，其中，喷头或感温探测器与周围环境之间的热量传递采用单元总的热量传递率q_total表达，q_total采用下列关系式表示：

上式中：

q_cond——传导热传递速率；

q_conv——对流热传递速率；

q_rad——辐射热传递速率

热量通过对流热传至喷头或感温探测器的传递速率采用下式表述：

上式中：

h——对流热量传递系数，单位kW/(m²·℃)或Btu/(s·ft²·℉)；

A——传热面积(m²)；

T_d——喷头或感温探测器温度(℃)；

T_δ——天花板附近火灾气体温度的最大值(℃)；

把喷头或感温探测器热敏感元件看作是一块质量为m的整体，其温度变化可由下式得出：

上式中：

c——热敏感元件的比热，单位为kJ/(kg·℃)或Btu/(1bm·℉)

由上述方程可以导出喷头或感温探测器热敏感元件温度随时间变化的关系式：

设

其中，τ为传至给定的热敏感元件的对流热量；

这样，

对一个给定的热敏感元件，h与流经热敏感元件的气体速度成比例，这种关系即用热敏感元件特有的响应时间指数——RTI来表示：

上式中：

u——天花板附近火灾气体速度的最大值；

u_o——实验室条件下气体参考速度；

τ——热敏感元件的对流热量；

τ_o——气体参考速度时对应的τ值；

采用插入试验来确定喷头或感温探测器的RTI值，对火灾气体通过类似热敏感元件任一时间的温度变化可以通过计算得知，其热量传导方程如下：

上述公式8用来预测暴露于火灾气体中的定温感温探测器或喷头的温度，或者用来确定感温元件达到其动作温度的时间；

步骤三：设计火灾

设计火灾分为热释放速率随时间增长的火和热释放速率恒定的火；

(1)热释放速率随时间增长的火

在实际火灾的初期和增长期，热释放速率随时间的推移不断增长，热释放速率增长遵循时间的平方规律，所以又称为时间平方火，即：

Q＝at² (公式9)

公式中：

Q——热量释放速率(kW)；

a——时间常数；

t——时间(s)

(2)热释放速率恒定的火

在进行建筑防火安全评估和排烟系统设计时还采用热量释放速率Q恒定的火，即假定从起火开始热释放速率即保持在某一数值，这一数值取为可燃物燃烧时的峰值热释放速率或水喷淋系统启动时的火源的热释放速率；

步骤四：响应时间预测

(1)稳态火火灾状况下的喷头或感温探测器响应时间预测

对于稳定状态火灾，采用如下一系列在天花板喷射流中计算火灾气体温度及速度的方程式，作为稳定状态火灾的热量释放速度及位置的函数：

当r/H>0.18时：

当r/H≤0.18时：

当r/H>0.15时：

当r/H≤0.15时：

其中，T_δ——天花板附近火灾气体温度的最大值(℃)；

T_a——周围环境温度(℃)；

Q——总的火灾热量释放速率(kW)；

r——距离火焰轴线的水平距离(m)；

H——着火点上面的高度(m)；

u——天花板附近火灾气体速度的最大值(m/s)；

假设离开着火点某处的火灾气体温度及速度与火源的瞬间热量释放速率有关，忽略感温元件到火源之间火灾气体流动所需的时间，同时，考虑总的热量释放速率而不仅仅是对流热量释放速率，则对一个恒定的气体温度及气体速度来说，基本的热量传递方程式为：

或者将RTI代入公式15得到：

对于气体温度和速度为恒定的天花板喷射流，或感温探测器对火灾的反应可以使用上面的方程式14-16进行模拟分析；

喷头响应时间t_r预测可采用以下方程式：

(2)发展火或半稳态火火灾状况下喷头或感温探测器响应时间预测

一场正在发展的火灾通过假设其由一系列不断增大的稳定的热量释放速率火灾构成来模拟，将这个模型作为半稳定状态模型，首先是将热量释放速率曲线分成一系列很短的时间间隔，对每一个间隔，用该段间隔的平均热释放速率来计算火灾产生的气体温度和速度，这样可计算喷头或感温探测器在此间隔的温度和速度；

步骤五：预测模型完成对闭式喷头或感温探测器在火灾情况下响应时间的预测。