李春雷 儲(chǔ)江偉 高偉健 解清波

摘 要：為解決森林火災(zāi)問(wèn)題，利用空氣炮射程遠(yuǎn)的特點(diǎn)，將空氣炮裝備應(yīng)用于森林消防領(lǐng)域。本文建立空氣炮射流的數(shù)學(xué)模型，利用Fluent軟件和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模型驗(yàn)證;在探討如何通過(guò)改變空氣炮尺寸參數(shù)提高空氣炮的有效滅火距離問(wèn)題基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析，選取空氣炮高壓氣室體積和炮管直徑兩個(gè)影響因素，選定市面上3種不同型號(hào)的空氣炮進(jìn)行仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：炮管直徑由89 mm增加到108 mm，空氣炮的有效滅火距離增加了38.9%;高壓氣室體積由220 L增加到300 L，空氣炮的滅火距離增加不明顯。由此可以得出結(jié)論：適當(dāng)?shù)卦龃罂諝馀谂诠苤睆娇梢杂行嵘諝馀诘挠行缁鹁嚯x，而相同條件下空氣炮高壓氣室的體積對(duì)空氣炮有效滅火距離的作用不明顯。

關(guān)鍵詞：森林消防;空氣炮;Fluent仿真;尺寸參數(shù)分析

Abstract：In order to solve the problem of forest fires， air cannon equipment is used in the field of forest fire protection by taking advantage of the long range of air cannons. In this paper， a mathematical model of the air cannon jet was established， and the model simulation verification was performed with Fluent software and experiment. Based on the discussion of how to increase the effective fire extinguishing distance of the air cannon by changing the size parameters of the air cannon， through theoretical analysis， the two influencing factors of the volume of the high-pressure air chamber of the air cannon and the diameter of the cannon tube were selected and three different types of air cannons on the market were simulated. The experimental results were： the diameter of the cannon tube increased from 89mm to 108mm， the effective fire extinguishing distance of the air cannon increased by 38.9%; the volume of the high pressure air chamber increased from 220L to 300L， and the fire extinguishing distance of the air cannon was not significantly increased. From this， it can be concluded that increasing the diameter of the air cannon tube can effectively improve the fire extinguishing capacity of the air cannon， but under the same conditions， the volume of the high pressure air chamber of the air cannon has no obvious effect on the fire extinguishing capacity of the air cannon.

Keywords：Forest fire fighting; air cannon; Fluent simulation; size parameter analysis

0 引言

森林火災(zāi)一旦發(fā)生，對(duì)環(huán)境造成的危害是不可避免的。近年來(lái)，全球森林火災(zāi)頻發(fā)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的損失和威脅。為此我國(guó)對(duì)森林火災(zāi)救援裝備的研究在不斷發(fā)展更新[1]。

辛喆等[2]為了提高便攜式風(fēng)力滅火機(jī)的滅火效率，應(yīng)用最優(yōu)化理論，以風(fēng)力滅火效率為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)其影響因素進(jìn)行分析，建立了風(fēng)力滅火機(jī)的三維模型，并利用Fluent軟件對(duì)改進(jìn)前后流場(chǎng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明：優(yōu)化后的流場(chǎng)可以有效提高風(fēng)力滅火機(jī)的效率。

崔航等[3]研究一種脈沖式滅火水槍，水槍噴射能迅速降低溫度，隔絕氧氣，將脈沖水槍加裝于越野車上，實(shí)現(xiàn)滅火與機(jī)車結(jié)合，在打水、吸水和吸水測(cè)試中達(dá)到了預(yù)期改裝的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)滅火的目的。

林區(qū)消防車是熄滅森林火災(zāi)的一種有效手段。孫術(shù)發(fā)等[4]設(shè)計(jì)了一種履帶式消防車，將支重輪由4個(gè)增加到了5個(gè)，并利用CREO軟件進(jìn)行仿真分析，同時(shí)在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)，整車的牽引力和穩(wěn)定性都有很大提升，基本可以滿足森林消防對(duì)消防車的要求。

森林防火的裝備有很多，但是這些防火裝備都存在一些缺陷。對(duì)于便攜式風(fēng)力滅火機(jī)主要是消防人員手持滅火器進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，近距離滅火，適合于森林火災(zāi)熄滅后對(duì)于隱患火災(zāi)的處理，可以作為森林滅火的輔助手段，但對(duì)于大型森林火災(zāi)不起作用;對(duì)于以水滅火的方式，由于林區(qū)中缺乏有效的水源，水資源不能得到及時(shí)供給，因此滅火效果不好[5]。

空氣炮基于空氣動(dòng)力學(xué)原理，以壓縮空氣為動(dòng)力源，將壓縮空氣瞬間釋放，從而產(chǎn)生巨大的動(dòng)能，并帶走周圍的氧氣可以實(shí)現(xiàn)滅火[6]。森林消防可以利用空氣炮的這種特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)距離滅火，利用釋放的空氣散熱，帶走火焰中心的熱量，實(shí)現(xiàn)氣流滅火，而且具有使用安全、操作方便和工作可靠的特點(diǎn)。

蘇紅星等[7]以提高空氣炮裝備的整體性能為目標(biāo)，在分析原始方案的基礎(chǔ)上，建立了空氣炮的優(yōu)化模型，通過(guò)優(yōu)化模型得出結(jié)論：增加炮管長(zhǎng)度，可以顯著降低高壓氣室的初始?jí)毫腿莘e，從而有效地減少了單次發(fā)射所需的氣體質(zhì)量，降低了發(fā)射成本，提高了系統(tǒng)的安全性。金永飛等[8]建立了空氣炮噴爆的數(shù)學(xué)模型，在Fluent軟件中進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)置初始?jí)毫?.4～0.8 MPa，得到了不同時(shí)刻的速度和壓力云圖，通過(guò)仿真分析得出結(jié)論：初始?jí)毫υ礁?，空氣炮的沖擊力越大。

本文從建立空氣炮的噴爆模型與仿真驗(yàn)證、空氣炮尺寸參數(shù)展開分析，研究空氣炮在森林消防方面的應(yīng)用，為滅火空氣炮的選型提供理論基礎(chǔ)，為森林消防提供新的滅火裝備。

1 空氣炮的工作過(guò)程

空氣炮的工作原理與“吹滅蠟燭”的原理相同，空氣炮釋放壓縮空氣時(shí)氣流帶中的氣壓急劇降低，使火焰與氧氣隔絕，并且在空氣的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中降低火焰的溫度，破壞了燃燒條件，從而終止了燃燒過(guò)程。空氣炮可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離滅火，其滅火的介質(zhì)為空氣，可以從大氣中源源不斷中獲取，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)滅火，是一種方便、有效的滅火方式。

空氣炮主要包括控制裝置、空氣供給系統(tǒng)、高壓氣室和炮管4個(gè)部分組成[9]?？諝夤┙o系統(tǒng)向空氣炮的高壓氣室內(nèi)供給高壓氣體，主要包括空氣壓縮機(jī)和兩位三通閥，其中兩位三通閥主要起到改變氣體流向的作用?？諝馀诘墓ぷ鬟^(guò)程示意圖如圖1所示。

空氣炮裝備利用了氣壓平衡原理。當(dāng)電磁閥開啟時(shí)，空氣壓縮機(jī)通過(guò)兩位三通閥向空氣炮供氣，壓縮空氣的壓力將活塞推至空氣炮炮管端部，堵住炮管進(jìn)氣口，壓縮空氣通過(guò)缸套上的孔隙進(jìn)入空氣炮高壓氣室;當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，兩位三通閥改變氣體流向，不再向高壓氣室供氣，空氣炮內(nèi)活塞在彈簧的作用下瞬間回落于彈簧緩沖座，高壓氣室內(nèi)的氣壓使壓縮氣體通過(guò)炮管出氣口噴射出，瞬間釋放，由于高壓室內(nèi)外存在較大的壓力差，使空氣壓力能轉(zhuǎn)變成空氣射流的動(dòng)能，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力[10]。

2 空氣炮射流模型的建立與仿真分析

2.1 基本假設(shè)

根據(jù)上述空氣炮的噴爆過(guò)程，可以得出該過(guò)程是一個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，但是由于空氣流體的復(fù)雜性，很難建立一個(gè)準(zhǔn)確的空氣炮理論模型，因此采用合理簡(jiǎn)化原有模型的方法進(jìn)行建模[11]。

根據(jù)空氣炮的噴爆過(guò)程，對(duì)整個(gè)過(guò)程做出基本假設(shè)：

（1）高壓氣室內(nèi)的氣體可視為理想氣體，滿足氣體狀態(tài)方程[12]。

（2）氣體在發(fā)射過(guò)程中的膨脹可認(rèn)為是絕熱過(guò)程。

（3）氣體壓力和能量在發(fā)射過(guò)程中的損失可以忽略不計(jì)。

2.2 空氣炮的理論模型

空氣炮的噴爆過(guò)程可以被視為理想氣體的絕熱等熵過(guò)程，因此整個(gè)過(guò)程需要滿足絕熱過(guò)程的狀態(tài)方程、質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和湍流方程[13]。

（1）狀態(tài)方程?？諝馀谠趪姳^(guò)程中被視為理想氣體，需滿足理想氣體狀態(tài)方程：

2.3 仿真分析

某公司生產(chǎn)的KQP-220-78型空氣炮，該空氣炮高壓氣室體積為100 L，炮管直徑為78 mm，炮管長(zhǎng)度為800 mm。以上述空氣炮為原型，在ANSYS/ICEM CFD軟件中按1∶1尺寸建立三維物理仿真模型，為了仿真空氣由空氣炮射流后空氣參數(shù)的變化，在空氣炮炮管出口處建立15 m×15 m×15 m的計(jì)算域，并在ICEM CFD軟件中均勻劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到ANSYS/Fluent軟件中，根據(jù)上述理論模型，設(shè)置高壓氣室的初始?jí)毫?.9 MPa，進(jìn)行仿真，其壓力變化云圖和仿真結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

由圖3可以看出，氣體由炮管內(nèi)剛剛開始流出時(shí)，炮管出口處壓力最大，形成一個(gè)壓力波，壓力波面在向炮口射流方向迅速推進(jìn)的同時(shí)，波面以炮管出口水平線為中心線，呈軸對(duì)稱形狀小幅度向四周擴(kuò)散，隨著射流距離的增大，壓力波面輻射范圍增大，氣體大面積擴(kuò)散，氣流壓力降低。

由圖4可知，氣流流出空氣炮炮管后的速度可以分為兩個(gè)階段：流速迅速下降階段和緩慢下降階段。當(dāng)空氣剛剛流出炮管時(shí)，其流速很高，氣體向前推進(jìn)時(shí)形成壓力波，由于受到大氣阻力的作用，壓力急劇降低，氣體流速下降嚴(yán)重，作用距離很短;在第二階段，由于氣體連續(xù)不斷地流出，形成了一個(gè)個(gè)向前的波面，推動(dòng)前面的氣體流動(dòng)，在推力的作用下，氣流流速有所升高，但此時(shí)高壓氣室內(nèi)的壓力降低，隨著高壓氣室內(nèi)部壓力的不斷降低和空氣的擴(kuò)散作用，壓力波面向四周擴(kuò)散，壓力逐漸減小，氣流流動(dòng)速度平緩下降。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用某公司生產(chǎn)的KQP-220-78型空氣炮，利用空氣壓縮機(jī)向空氣炮供氣，并用速度計(jì)測(cè)量氣體流速，實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備如圖5和圖6所示。

本實(shí)驗(yàn)的目的為測(cè)定空氣炮在臨界風(fēng)速點(diǎn)時(shí)距炮管出口的距離，根據(jù)GB/T 10280—2008《便攜式風(fēng)力滅火機(jī) 技術(shù)條件》中的規(guī)定滅火臨界風(fēng)速點(diǎn)的風(fēng)速值為22 m/s[15]，依據(jù)仿真結(jié)果，流速在22 m/s時(shí)距炮管的距離為11 m。因此選取9～13 m，每間隔0.2 m設(shè)置風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)方案參考GB/T 10280—2008《便攜式風(fēng)力滅火機(jī) 技術(shù)條件》中的風(fēng)力試驗(yàn)進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意事項(xiàng)為：

（1）在空氣壓縮機(jī)供氣過(guò)程中，可以通過(guò)壓力表讀取高壓氣室內(nèi)的壓力，待壓力表穩(wěn)定在0.9 MPa時(shí)，再關(guān)閉電磁閥。

（2）炮管中心距地面不小于1 m，前方20 m內(nèi)不得有障礙物，左右兩側(cè)2 m內(nèi)均不得有影響射流的障礙物。

（3）為了排除實(shí)驗(yàn)時(shí)的風(fēng)速對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生的誤差，實(shí)驗(yàn)要求在無(wú)風(fēng)的條件下進(jìn)行。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用MATLAB進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，其擬合如圖7所示。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整個(gè)下降趨勢(shì)來(lái)看，實(shí)驗(yàn)中的距離為流速緩慢下降階段，流速下降較為平緩，整個(gè)趨勢(shì)與仿真結(jié)果相同;從數(shù)值角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)略有降低，這是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)的天氣條件所導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)時(shí)的氣候條件影響氣壓變化，屬于不可避免的影響因素，對(duì)比仿真中的理想環(huán)境，會(huì)產(chǎn)生一些偶然誤差?？傮w而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

4 空氣炮尺寸參數(shù)分析

利用空氣炮響應(yīng)時(shí)間短、射程大和滅火資源易獲取等優(yōu)點(diǎn)，可以有效熄滅森林火源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離滅火[16]。然而空氣炮可以滅火是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如何在一次噴射中可以有效熄滅更遠(yuǎn)距離的火災(zāi)是一個(gè)更有價(jià)值的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[7]和[8]通過(guò)改變空氣炮的初始條件和尺寸參數(shù)，如炮管長(zhǎng)度、初始?jí)毫Φ?，可以?duì)空氣炮進(jìn)行優(yōu)化。如果提高初始?jí)毫Γ瑫?huì)對(duì)空氣炮的承壓要求變高，在空氣炮的生產(chǎn)過(guò)程中成本就大大增加，因此不考慮改變空氣炮初始?jí)毫Ψ矫娴囊蛩?，從空氣炮的尺寸參?shù)方面入手進(jìn)一步提高空氣炮的滅火能力[17]。

參考文獻(xiàn)[18]中計(jì)算空氣自由射流滅火的有效距離LC為：

根據(jù)公式（7）可知，射流滅火的有效距離與炮管的出口速度和炮管出口半徑有關(guān)，有效滅火距離隨著出口速度和出口半徑的增加而增大。由于空氣動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性，不能因此做出判斷，需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析是否可以通過(guò)改變空氣炮的體積和炮管的直徑達(dá)到增大空氣炮滅火距離的目的。

為了驗(yàn)證空氣炮尺寸參數(shù)對(duì)有效滅火距離的影響，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，通過(guò)查找市面上的空氣炮尺寸參數(shù)，選定和上述實(shí)驗(yàn)同種結(jié)構(gòu)的空氣炮，選用Ⅰ型（KQP-220-89）、Ⅱ型（KQP-220-108）、Ⅲ型（KQP-300-108）3種型號(hào)的空氣炮進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。3種型號(hào)空氣炮的尺寸參數(shù)見表1。

圖8中Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3種空氣炮的射流速度為滅火臨界風(fēng)速值時(shí)距離炮管出口的距離分別為：17、19.8、20.1 m。Ⅰ型和Ⅱ型體積相同，Ⅱ型相比Ⅰ型炮管直徑略有增加，射流距離有所增加;Ⅱ型和Ⅲ型炮管半徑相同，高壓氣室體積不同，但曲線基本重合，射流距離相差不大。利用公式（7）計(jì)算不同型號(hào)空氣炮的有效滅火距離見表2。

由表2可知，對(duì)比Ⅰ型和Ⅱ型空氣炮，Ⅱ型空氣炮管直徑增大了19 mm，有效滅火距離增大了38.9%，仿真結(jié)果與上述定性分析結(jié)論相同，但無(wú)限增大炮管直徑同時(shí)會(huì)減小炮管的出口速度，同樣會(huì)減小空氣炮的有效滅火距離，因此在一定范圍內(nèi)增大炮管直徑可以提高空氣炮的有效滅火距離;相比于Ⅱ型空氣炮，Ⅲ型空氣炮的體積增加了80 L，Ⅱ型空氣炮和Ⅲ型的空氣炮的有效滅火距離大小基本相同，增大空氣炮高壓氣室的體積，增大了排出氣體的量，延長(zhǎng)了排放時(shí)間，并沒(méi)有增加空氣炮的有效滅火距離。由此可以得出結(jié)論，在利用空氣炮滅火時(shí)，適當(dāng)增大空氣炮管直徑可以增加空氣炮的滅火距離，提高滅火效率。

5 結(jié)論

將空氣炮裝備應(yīng)用于森林消防領(lǐng)域，在國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究中鮮有報(bào)道，其應(yīng)用原理與“吹滅蠟燭”的原理相同。本文建立了空氣炮的理論模型，為滅火空氣炮的選型提供理論基礎(chǔ)，空氣炮可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離滅火，為森林消防提供新的滅火裝備。通過(guò)分析相關(guān)參數(shù)得出以下結(jié)論：

（1）Ⅲ型空氣炮比Ⅱ型空氣炮高壓氣室體積增大了80 L，有效滅火距離變化很小，高壓氣室體積對(duì)空氣炮的有效滅火距離影響很小。

（2）Ⅱ型空氣炮比I型空氣炮直徑增加了19 mm，有效滅火距離增加了38.9%，增大空氣炮管直徑可以增加空氣炮的有效滅火距離。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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