面向火災(zāi)事故現(xiàn)場的消防水炮射流軌跡預(yù)測技術(shù)綜述*

侯曉靜 毛文鋒 鄭毅 劉馨澤 袁紀(jì)武

(中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院 山東青島 266000)

0 引言

隨著大型展覽館、油罐區(qū)和高層住宅等場所規(guī)模的不斷擴(kuò)大[1]，火災(zāi)表現(xiàn)出燃燒溫度高、消防人員難以靠近、火源位置難以精準(zhǔn)預(yù)測等特點(diǎn)，因此對消防水炮射流軌跡的精準(zhǔn)預(yù)測和智能控制提出了更高的要求。消防水炮是指水、泡沫混合液流量大于16 L/s，或干粉噴射率大于8 kg/s，以射流形式噴射滅火劑的裝置[2]。其中，滅火劑從炮口向火源噴射的過程稱為消防水炮射流運(yùn)動。射流運(yùn)動是隨時間、空間不斷發(fā)生變化的滅火過程，實(shí)現(xiàn)射流軌跡的精準(zhǔn)預(yù)測是火災(zāi)事故現(xiàn)場應(yīng)急處置的關(guān)鍵，也是消防水炮水射流軌跡研究的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外諸多學(xué)者對此進(jìn)行了深入研究，但是仍然存在許多亟待解決的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題[3-17]。為此，在先前學(xué)者們研究的基礎(chǔ)上，探討了消防水炮射流軌跡預(yù)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其局限性，并對未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 消防水炮水射流

1.1 消防水炮

消防水炮是以水為噴射介質(zhì)，遠(yuǎn)距離撲救一般固體物質(zhì)的消防設(shè)備。消防水炮主要由進(jìn)口連接附件、炮體、炮頭噴射部件構(gòu)成，炮體可以調(diào)整俯角、仰角、水平角的回轉(zhuǎn)角以達(dá)到任意角度的噴射滅火，同時炮頭噴射部件用以實(shí)現(xiàn)不同的噴射射流。它具有射程遠(yuǎn)、性能穩(wěn)定可靠、操作靈活、維護(hù)方便的特點(diǎn)。

1.2 消防水炮水射流

消防水炮將水向火源處噴射，形成液體射流。水從消防水炮噴嘴射出時速度較大，通常認(rèn)為它是湍流運(yùn)動，并且將水射入空氣中，此時是非淹沒射流，空氣可以認(rèn)為是一個非常大的空間，水射流在這時可以認(rèn)為其運(yùn)動不受邊界的影響，一般來講此時的射流為自由非淹沒射流。

水在高壓狀況下從水炮出口處射出，速度大，雷諾數(shù)也大，作直線運(yùn)動，其外形為充實(shí)液柱，在這樣的情況下可以認(rèn)為重力、空氣阻力等外部作用力與表面張力和粘性力等內(nèi)部作用力對射流沒有影響。射流經(jīng)過一段時間后離出口處較遠(yuǎn)，同時受到空氣阻力的影響，射流與空氣的接觸面開始發(fā)生破碎，此時射流表面的內(nèi)部作用力小于外部作用力。隨著射流表面液滴的不斷破碎脫離，射流內(nèi)部逐漸受到空氣阻力的影響，與空氣開始直接接觸，因此射流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐旱稳?。最終射流以液滴群的形式作用在火源上，此時的液滴具有較大的速度，對火具有一定的沖擊力，另一方面水可以抑制、冷卻火，從而進(jìn)行滅火，如圖1所示。

圖1 水射流運(yùn)動示意

從上述分析可以看出，水射流易發(fā)生破碎、融合、漂移等不穩(wěn)定過程，其運(yùn)動過程受到多種流體力學(xué)不穩(wěn)定特征的影響，增加了其軌跡準(zhǔn)確預(yù)測的難度。針對水射流的這些特征，國內(nèi)外學(xué)者們采取了多種技術(shù)手段研究水射流軌跡預(yù)測技術(shù)，為快速有效撲滅火災(zāi)提供精準(zhǔn)指導(dǎo)。

2 消防水炮射流軌跡研究

2.1 基于數(shù)學(xué)計算的消防水炮射流軌跡研究

以質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)理論、外彈道學(xué)和液流破碎等理論為基礎(chǔ)，從消防水炮安裝高度、噴射仰角及壓力等方面出發(fā)，利用推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)解析式預(yù)測射流軌跡，稱為“基于數(shù)學(xué)計算的消防炮射流軌跡研究”。

史興堂[15]著重探討了消防炮的射程及其與影響因素之間的關(guān)系，并通過理論計算與實(shí)驗(yàn)研究的方法，在國內(nèi)首次建立射程的計算公式及其與射高的關(guān)系。HATTON等[16-17]考慮空氣阻力對于水射流運(yùn)動的影響，通過模擬仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對比的方法，最終獲得運(yùn)動軌跡曲線。萬峰等[18]根據(jù)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)相關(guān)理論，結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出考慮炮口處初速度、噴射仰角、射程等工作參數(shù)的消防水炮軌跡方程。莊坤森[19]研究出包含消防水炮初速度、噴射仰角、射程、流量等參數(shù)的優(yōu)化算法，該算法能夠解決由于重力引起的落點(diǎn)誤差問題，同時也避免了調(diào)試補(bǔ)償仰角的環(huán)節(jié)。朱蓓麗[20]參考不同工況參數(shù)下的仿真結(jié)果，深入分析工作壓力、流量、俯仰角度和安裝高度對射程及落點(diǎn)速度的影響規(guī)律，同時分析噴射誤差的起因，從而提出實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴射的研究方法。

2.2 基于數(shù)值模擬的消防水炮射流軌跡研究

基于數(shù)值模擬的軌跡研究是利用CFD方法建立數(shù)值計算模型，并用于模擬消防炮射流運(yùn)動軌跡。無網(wǎng)格粒子法是計算流體力學(xué)領(lǐng)域的一種計算方法，其中移動粒子半隱式法是無網(wǎng)格計算方法的典型代表。無網(wǎng)格粒子法具有無需生成網(wǎng)格的特點(diǎn)，這一特點(diǎn)使其能夠模擬任意形狀的界面及其變形和破裂[21]。TATSUYA MIYASHITA等[22]利用移動粒子半隱式法模擬大流量消防炮的射流軌跡，發(fā)現(xiàn)射流運(yùn)動軌跡與水流量和工作壓力密切相關(guān)。PONZIANI等[6]等采用計算流體動力學(xué)方法建立消防水炮射流運(yùn)動模型，發(fā)現(xiàn)其射流形狀與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，并指出設(shè)置合適的網(wǎng)格尺寸更利于準(zhǔn)確描述射流運(yùn)動。另外，崔海濤[23]比較分析了3種射流仿真模型：拋物線近似模擬射流軌跡模型、基于相似理論的射流軌跡模擬模型以及基于運(yùn)動方程的射流軌跡模擬模型。首先設(shè)定相關(guān)參數(shù)，運(yùn)動方程計算模型生成射流軌跡仿真數(shù)據(jù)，將所獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合粒子系統(tǒng)的表現(xiàn)形式，擬合成射流軌跡曲線，從而實(shí)現(xiàn)物理模型驅(qū)動的射流軌跡模擬。

2.3 基于計算機(jī)視覺的消防水炮射流軌跡研究

利用圖像識別和跟蹤技術(shù)，以攝像頭作為傳感器，將攝像頭采集的圖像、視頻信息進(jìn)行計算機(jī)處理，通過圖像技術(shù)跟蹤射流軌跡運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)消防炮軌跡及落點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。這樣的研究稱為“基于計算機(jī)視覺的軌跡研究”[24]。陳靜[25]首先使用背景減除法、分割與濾波算法進(jìn)行軌跡檢測，在此基礎(chǔ)上通過模板匹配法和單向搜索法查找射流軌跡，對于軌跡中斷續(xù)部分采用曲線擬合的方法加以補(bǔ)償，從而得到較為完整的射流軌跡曲線，但該研究方法仍存在圖像處理時間長、處理后失真嚴(yán)重的問題。孫維祿[26]在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出使用RGB三色法提取射流軌跡的方法，有效改善圖像失真的問題，并通過簡化濾波算法大大節(jié)約計算資源。蘇浩[24]也展開了對基于圖像的射流識別技術(shù)的研究，首先將背景減除法與矢量搜索法相結(jié)合搜索背景變化不大的射流軌跡，以避免外界環(huán)境的干擾，之后針對背景復(fù)雜的狀況，將基于粒子群思想的迭代搜索法與矢量搜索法相結(jié)合，進(jìn)而識別、跟蹤射流運(yùn)動。

3 總結(jié)與展望

通過以上消防水炮射流軌跡研究文獻(xiàn)的闡述，對水炮射流軌跡研究進(jìn)行了詳盡的總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，擬對其將來的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

3.1 數(shù)學(xué)公式研究方面

雖然國內(nèi)外學(xué)者對基于數(shù)學(xué)計算的水炮射流預(yù)測技術(shù)進(jìn)行了大量研究[27-28]，但這些研究大多是將水炮射流過程進(jìn)行物理學(xué)簡化，將其看作簡單的射流曲線，研究運(yùn)動過程中各物理參量的變化規(guī)律，忽略了水炮射流的實(shí)際形態(tài)特征呈水柱的特點(diǎn)，并且在使用拋物線模型進(jìn)行重力和空氣阻力影響下水炮射流的力學(xué)分析時，由于對射流內(nèi)部流場認(rèn)識缺失，模型在降低射程誤差和提高落點(diǎn)預(yù)測準(zhǔn)度等方面往往顯得力不從心。因此，為準(zhǔn)確預(yù)測射流軌跡，構(gòu)建其運(yùn)動模型時必須充分考慮水流噴射過程中所受重力、空氣阻力等外部作用力和表面張力等內(nèi)部作用力的影響。

3.2 仿真研究方面

消防水炮射流在滅火過程中由于受到重力、空氣阻力等因素的影響，消防水炮的射流在空氣阻力作用下不再按拋物線型軌跡運(yùn)動，而呈曲線衰落趨勢，射流的水流落地點(diǎn)與實(shí)際火源位置會產(chǎn)生偏差，造成噴射不夠精準(zhǔn)，滅火效率不高。而如今的水炮射流仿真模型對射流的形狀及模式有較為準(zhǔn)確的描述，但是很難準(zhǔn)確模擬消防炮射流過程中的流體破碎、漂移等不穩(wěn)定過程，從而使得軌跡的準(zhǔn)確預(yù)測非常困難。因此，在采用現(xiàn)代計算流體力學(xué)(CFD)的方法，有必要充分考慮大尺度射流運(yùn)動過程中多種不穩(wěn)定因素的耦合作用，對水炮射流運(yùn)動過程進(jìn)行高精度數(shù)值模擬，獲取射流的形成、噴射、斷裂、破碎和霧化等等一系列細(xì)微特征，為水炮射流軌跡和落點(diǎn)的精準(zhǔn)模型構(gòu)建提供指導(dǎo)。

3.3 計算機(jī)視覺研究方面

基于計算機(jī)圖像的消防炮射流定位方法[29-31]雖然有了一定的研究基礎(chǔ)，然而由于背景環(huán)境的干擾、算法本身的識別精度不足等問題，使得發(fā)展消防炮射流的識別精度和算法是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測水炮射流軌跡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.4 發(fā)展方向

現(xiàn)如今火災(zāi)事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響工農(nóng)業(yè)發(fā)展和人民正常的生產(chǎn)生活，這就對消防水炮的技術(shù)發(fā)展提出了新的要求。而消防水炮的射流滅火過程是一個復(fù)雜多變的過程，因此有必要建立可預(yù)測消防水炮軌跡線、落點(diǎn)位置的準(zhǔn)確方法，從而滿足快速、準(zhǔn)確滅火的需求。智能化是將來消防水炮技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，而消防水炮射流軌跡的準(zhǔn)確預(yù)測是實(shí)現(xiàn)消防水炮自動化和智能化的關(guān)鍵。構(gòu)建面向火災(zāi)事故現(xiàn)場的消防水炮射流軌跡模型，研究消防水、火羽流、氣象、燃燒表面等多因素耦合下的水射流運(yùn)動規(guī)律，是未來消防水炮射流軌跡研究的一個重要方向。具體如下：

(1)消防水的物理特性參數(shù)主要指水滴粒徑、水滴密度和水滴動量等因素，受工作壓力和炮身的幾何性能等因素影響，消防水的物理特性參數(shù)對射流軌跡影響很大，通常工作壓力越大，水滴動量越大，水滴運(yùn)動距離就越遠(yuǎn)。

(2)火災(zāi)燃燒時其火焰上的煙氣和周圍空氣之間，由于存在溫度梯度產(chǎn)生密度梯度，從而形成浮力效應(yīng)。火羽流的浮力效應(yīng)降低了水滴密度和水滴動量，從而對射流軌跡產(chǎn)生較大影響。根據(jù)火羽流已有的理論研究成果，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，給出火羽流影響下射流軌跡線的預(yù)測模型。

(3)火場的風(fēng)速、風(fēng)向等氣象條件也會影響消防水炮射流運(yùn)動軌跡，通過深入分析火災(zāi)現(xiàn)場風(fēng)場的規(guī)律和特點(diǎn)，得到風(fēng)場的形成機(jī)制、影響范圍、運(yùn)行變化規(guī)律及其對消防水炮射流軌跡的影響，建立消防水炮運(yùn)動軌跡隨風(fēng)速、風(fēng)向等因素發(fā)生動態(tài)變化的近似估算式。