第四章 消防水力学基础知识
第一节 水的性质
纯净的水是无嗅无味的液体，在化学上里中性，无毒，且冷却效果非常好。水取用方便，分布广泛，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lOOoC时，蒸发成气体，水的汽化热温度对照表，水温下降到0℃时，即凝结成固体，称为冰。
（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水的汽化热。水的汽化热很大，lLlOOoC的水，变成lOOoC的水蒸气，需要吸收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。同时，水变成蒸汽时体积扩大。IL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，释放出溶饵热335 kJ/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，凶为水的部分动能将转化为热能。因此，为了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
在水力学中，与水运动有关的物理性质主要有以下六个方面。
（一）密度和容重
单位体积内物质所具有的质量称为密度，单位体积内物质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舢I。水在4℃时容重最大，此时1 i纯净的水重lkgo。
表4-1 水在不同温度的容度
（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。需要说明的是当液体运动一旦停止，这种阻力就立即消失。因此，釉滞性在液体静止或平衡时是不显示作用的。
举例说明一下水的黏滞性：如果测出渠道水流的过水断面上各点的流速u，并绘出过水断面上的流速分布，如图4-1所示（图中每根带箭头的线段的长度表示该点流速的大小）。发现过水断面上的流速分布是不均匀的。渠底流速为零，随着离开固体边界的距离的增加，流速逐渐增大，至水面附近流速最大。水流过水断面上会形成不均匀的流速分布是因为水流黏滞性所致。紧靠固体壁面的第一层极薄水层出于附着力的作用而贴附在壁面上不动，第一水层将通过黏滞作用而
陶4-1 渠道过水断面流速分布
影响第二水层的流速，如此逐层影响下去。离开壁面的距离愈大，壁面肘流速的影响愈小，其结果就形成了图4-l所示的流速分布规律。就是这样，固体边界通过水的黏滞性，对水的运动起着阻滞作用。水的黏滞性可用黏滞力即内摩擦力来表达。流得快的水层对流得慢的水层起拖动作用，因而快层作用于慢层的内摩擦力与流向相同，反之慢层对快层起阻滞作用，则慢层作用于快层的摩擦力与流向相反，两力大小相等、方向相反，都具有抗拒其相对运动的性质。由于水在管道或水带内流动要克服内摩擦力，因此，会产生水头损失。
（三）压缩性
不同压力时的水体积如表4-2所示。
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，在常压下lOoC - 2VC的水，温度升高1℃，水的体积增加万分之一点五；在常压下70℃-95℃的承，温度升高l℃，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。
（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，丙翻、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；用水可以扑救比水重且不溶于水的可燃液体；用水可以稀释溶于水的可燃液体，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。纯净水电阻率很大，为不良导体。天然水源二般都含有各种杂质，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
水由氨、氧两元寨组成。灭火时消防射流触及高温设备，水水滴瞬间汽化，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150VC以上时，水蒸气将会迅速分解为氢气和氧气。
2H：o堡坠2Hz t+02 t
氢气为可燃气体}氧气为助燃气体，氮气和氧气相互混合，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，使释放出莱的氢气与空气中氯气相混合形成的爆炸性混合物，发生自燃或爆炸。
2Na +2H2O===NaOH +H2 t+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劂烈，放出氢气，会助长火势扩大和出褒茸延。
Zn +Hz0===ZnO+H2 t
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。丽水与镁铝粉接触，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。
Mg(OH)2 +2A1(OH)3 -Mg( Al02)2 +4Hz0
2A1+6Hz0 -2A1(OH)，上+13H2 t+热量
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、氢化铝等金属氯化物接触，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，产生大最的氢气，会助长火势。
NaH+H20——tNaOH+H2^r+热量
AIH3 +3H20:==::i=:AI(OH)3 +3Hz t
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。
MgzSi +4H20—础=2Mg(OH)z+ 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i化合物气体，并释放出大最的热量。
CaCz +2H20 -Ca，( OH)2 +CzH. t+热量
在1个标准大气压和100℃情况下，水的汽化热为2253.02焦耳／克，在常温常压下为2441.12焦耳／克；水汽凝结成液态水时放出相同的热量。
水与石灰氮（俗称电石，CaCN：）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 +6HzO -2HzBO，+6Hz t+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，生成磷化氰，磷化鬣在空气中能自燃。
Ca3P. +6H20——3Cb.(OH)2 +2PH3 T+热量
由此可见，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i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。
一、冷却作用
由于水的比热容大，汽化热高，而且水具有较好的导热性。因而，当水与燃烧物接触或流经燃烧区时，将被加热或汽化，吸收热量，从而使燃烧区温度大大降低，以致使燃烧中止。
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二、窒息作用
水的汽化将在燃烧区产生大量水蒸气占据燃烧区，可阻止新鲜空气进入燃烧区，降低燃烧区氧的浓度，使可燃物得不到氧的补充，导致燃烧强度减弱直至中止。
三、稀释作用
水本身是一种良好的溶剂，可以溶解水溶性甲、乙、丙类液体，如醇、醛、醚、酮、酯等。因此，当此类物质起火后，如果容器的容量允许或可燃钧料涟散，可用水予以稀释。由于可燃物浓度降低而导致可燃蒸气量的减少，使燃烧减弱。当可燃藏体柏浓度降到可燃浓度以下时，燃烧即行中止。
四、分离作用
经灭火器具（尤其是直流水枪）喷射形成的水流布很大的冲击力，这样的水流遇到燃烧物时，将使火焰产生分离，这种分离作用一方面使火焰"靖辞"得不强可燃蒸气的补充，另一方顽使火焰"根部"失去维持燃烧所需的热量，使燃烧中止。
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，以辘强的承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蠢度的增加而增加，重质油品甚至可以形成含水油泡沫一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出射出来的高速水流。
（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，图4-2密集射流的形状的射流称为密集射分散，离水枪口较流耗水量大，射程物室内消火栓给水流水枪，都是以密械强化作用使水流分散成点滴状态离开消防射墩器具．形成扩散状或幕状射流称为分散射流。分散射流根据萁承ri糖经大小又分为喷雾射流和开花射流两种类型。
(1)喷雾射流。水滴粒径平均小于100y.m的分散射流，称为喷雾射藏。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，燃烧区蒸汽浓度太，囔般大量汽化热，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，髂相隔曝好。
(2)开花射流。分散射流时，水滴平均粒径在100斗m- 1000lun之同，罔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。
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、冲击力强争优点。
(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方向收敛的圆锥形喷嘴'该喷嘴主要用途为增加水流的出口速度以形成动能较大的射流，并使射流不分散。为减少从水带来的水流涡流，在枪筒内安装稳流器（导流装置），使水流流过截面积较小的孔洞，消除横向水流和旋转水流，迫使枪筒内紊流趋匀流状态，以提高枪筒结构的水力条件。
常用的直流水枪喷嘴口径有13咖、16mm，19mm三种。
(2)直流水枪的使用
使用直流水枪灭火时，由于水枪射流产生反作用力，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。
(3)水枪充实水柱
由水枪喷嘴起到射流90%的水柱水量穿过直径38cm圆孔处的一段射流长度称为充实水柱（又叫有效射程）。该段射流水量集中，射程远，冲击力大，机械破坏力强，便于瞄准着火点，能将燃烧聚集热量冲散。
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，其水枪充实水柱不应小于10m；高层工业建筑和建筑高度超过100m的商层民用建筑，其水枪充实水柱不应小于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），其水枪充实水柱不应小于10m；高架仓库和体积大于25000m3的商店、体育馆、影剧院、会堂、展览建筑，车站、码头、机场建筑等，其水枪充实水柱不应小于13m;一般性的低层建筑，其水枪充实水柱不应小于7m;地下工程，其水枪充实水柱不应小于10m;停车库、修车库，其水枪充实水柱不应小于10m;扑灭室外火灾，其水枪充实水柱应为10m - 15m。
2．喷雾水枪
喷雾水枪是一种喷射雾状射流的消防水枪。其具有以下特点：比密集充实射流有更好的冷却和窒息效果，对可燃液体及气体吹灭和乳化灭火作用，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。
(l)喷雾水枪的分类
喷雾水枪分离心式喷雾水枪、机械撞击式喷雾水枪和簧片式喷雾水枪三种。
(2)喷雾水枪的使用
使用喷雾水枪灭火时，应注意喷雾角、射流方向和喷雾射流类型的选择。
3．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，掩护消防员进人火场接近火源，以密集射流扑救一般固体物质火灾或冷却保护其他物质。
4．多用水枪
多用水枪既可喷射密集射流，也可喷射雾状射流，有的还可以嚎射水幕，面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。
5．脉冲水枪
（二）消防水炮
消防水炮是大型号的"消防水枪"，与水枪的最大差异在于其非手持性。习—比_将漉量大于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设施射水活动，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、有效射键撼的—骑承炮进行灭火。
1．消防水炮的构造
消防水炮主要由操纵手柄、台座、回转锁定柄、双分水管、射水口集水弯道、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可分为固定式、车载式和移动式水炮三种类塑；接控翻【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。
本章【学习目标】
通过学习，要求初、中级建（构）筑物消防员基本了解水的性质、消防射流，重点掌握水的灭
火作用、消防射手器具。高级以上建（构）筑物消防员必须全面掌握本章节各节的基础知识。
思考与练习题
1．f述水存在哪几种状态。
2．简述水的比热容和汽化热的含义。
3．简述水的密度和容重的舍义。
4．何谓水的黏滞性？
单位质量液体变为同温度的气体所吸收的热量叫作汽化热。水汽化是指水从液态变为气态的相变过程。汽化有两种形式，就是蒸发和沸腾。蒸发是温度低于沸点时发生在液体表面的汽化过程。蒸发现象则在任何温度下都能发生。沸腾是在。
5：简述水的压缩性、膨胀性和导电性。
6．水能与哪蠛物质起化学反应？
7．简述水的灭火作用。
8．何谓消防射流？消防射流有哪几种类型？
9．何谓密集射流？密集射流有何特点？
水的汽化热为40.8千焦/摩尔，相当于2260千焦/千克。一般地：使水在其沸点蒸发所需要的热量五倍于把等量水从1℃加热到100℃所需要的热量。 汽化热是一个物质的物理性质。汽化热，是指单位质量的液体在温度保持不变的情况。
10.简述水枪充实水柱的定义。扑灭不同建筑物火灾对水枪充实水柱有何要求？
11.简述直流水枪和喷雾水枪的使用注意事项。
12.消防射水器具主要有哪些类型？
