灭火空气炮的仿真与尺寸参数分析
李春雷 储江伟 高伟健 解清波
摘 要：为解决森林火灾问题，利用空气炮射程远的特点，将空气炮装备应用于森林消防领域。本文建立空气炮射流的数学模型，利用Fluent软件和实验进行模型验证;在探讨如何通过改变空气炮尺寸参数提高空气炮的有效灭火距离问题基础上，通过理论分析，选取空气炮高压气室体积和炮管直径两个影响因素，选定市面上3种不同型号的空气炮进行仿真。实验结果表明：炮管直径由89 mm增加到108 mm，空气炮的有效灭火距离增加了38.9%;高压气室体积由220 L增加到300 L，空气炮的灭火距离增加不明显。由此可以得出结论：适当地增大空气炮炮管直径可以有效提升空气炮的有效灭火距离，而相同条件下空气炮高压气室的体积对空气炮有效灭火距离的作用不明显。
关键词：森林消防;空气炮;Fluent仿真;尺寸参数分析
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
森林火災一旦发生，对环境造成的危害是不可避免的。近年来，全球森林火灾频发，对社会经济造成了严重的损失和威胁。为此我国对森林火灾救援装备的研究在不断发展更新[1]。
辛喆等[2]为了提高便携式风力灭火机的灭火效率，应用最优化理论，以风力灭火效率为目标建立数学模型，对其影响因素进行分析，建立了风力灭火机的三维模型，并利用Fluent软件对改进前后流场进行仿真，仿真结果表明：优化后的流场可以有效提高风力灭火机的效率。
崔航等[3]研究一种脉冲式灭火水枪，水枪喷射能迅速降低温度，隔绝氧气，将脉冲水枪加装于越野车上，实现灭火与机车结合，在打水、吸水和吸水测试中达到了预期改装的目标，实现了可持续灭火的目的。
林区消防车是熄灭森林火灾的一种有效手段。孙术发等[4]设计了一种履带式消防车，将支重轮由4个增加到了5个，并利用CREO软件进行仿真分析，同时在试验场进行了试验，整车的牵引力和稳定性都有很大提升，基本可以满足森林消防对消防车的要求。
森林防火的装备有很多，但是这些防火装备都存在一些缺陷。对于便携式风力灭火机主要是消防人员手持灭火器进入火灾现场，近距离灭火，适合于森林火灾熄灭后对于隐患火灾的处理，可以作为森林灭火的辅助手段，但对于大型森林火灾不起作用;对于以水灭火的方式，由于林区中缺乏有效的水源，水资源不能得到及时供给，因此灭火效果不好[5]。
空气炮基于空气动力学原理，以压缩空气为动力源，将压缩空气瞬间释放，从而产生巨大的动能，并带走周围的氧气可以实现灭火[6]。森林消防可以利用空气炮的这种特点，实现中长距离灭火，利用释放的空气散热，带走火焰中心的热量，实现气流灭火，而且具有使用安全、操作方便和工作可靠的特点。
苏红星等[7]以提高空气炮装备的整体性能为目标，在分析原始方案的基础上，建立了空气炮的优化模型，通过优化模型得出结论：增加炮管长度，可以显著降低高压气室的初始压力和容积，从而有效地减少了单次发射所需的气体质量，降低了发射成本，提高了系统的安全性。金永飞等[8]建立了空气炮喷爆的数学模型，在Fluent软件中进行了仿真实验，设置初始压力为0.4～0.8 MPa，得到了不同时刻的速度和压力云图，通过仿真分析得出结论：初始压力越高，空气炮的冲击力越大。
本文从建立空气炮的喷爆模型与仿真验证、空气炮尺寸参数展开分析，研究空气炮在森林消防方面的应用，为灭火空气炮的选型提供理论基础，为森林消防提供新的灭火装备。
1 空气炮的工作过程
空气炮的工作原理与“吹灭蜡烛”的原理相同，空气炮释放压缩空气时气流带中的气压急剧降低，使火焰与氧气隔绝，并且在空气的运动过程中降低火焰的温度，破坏了燃烧条件，从而终止了燃烧过程。空气炮可以实现远距离灭火，其灭火的介质为空气，可以从大气中源源不断中获取，实现可持续灭火，是一种方便、有效的灭火方式。
空气炮主要包括控制装置、空气供给系统、高压气室和炮管4个部分组成[9]。空气供给系统向空气炮的高压气室内供给高压气体，主要包括空气压缩机和两位三通阀，其中两位三通阀主要起到改变气体流向的作用。空气炮的工作过程示意图如图1所示。
空气炮装备利用了气压平衡原理。当电磁阀开启时，空气压缩机通过两位三通阀向空气炮供气，压缩空气的压力将活塞推至空气炮炮管端部，堵住炮管进气口，压缩空气通过缸套上的孔隙进入空气炮高压气室;当电磁阀关闭时，两位三通阀改变气体流向，不再向高压气室供气，空气炮内活塞在弹簧的作用下瞬间回落于弹簧缓冲座，高压气室内的气压使压缩气体通过炮管出气口喷射出，瞬间释放，由于高压室内外存在较大的压力差，使空气压力能转变成空气射流的动能，产生强大的冲击力[10]。
2 空气炮射流模型的建立与仿真分析
2.1 基本假設
根据上述空气炮的喷爆过程，可以得出该过程是一个空气动力学问题，但是由于空气流体的复杂性，很难建立一个准确的空气炮理论模型，因此采用合理简化原有模型的方法进行建模[11]。
根据空气炮的喷爆过程，对整个过程做出基本假设：
（1）高压气室内的气体可视为理想气体，满足气体状态方程[12]。
（2）气体在发射过程中的膨胀可认为是绝热过程。
（3）气体压力和能量在发射过程中的损失可以忽略不计。
2.2 空气炮的理论模型
空气炮的喷爆过程可以被视为理想气体的绝热等熵过程，因此整个过程需要满足绝热过程的状态方程、质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程和湍流方程[13]。
（1）状态方程。空气炮在喷爆过程中被视为理想气体，需满足理想气体状态方程：
2.3 仿真分析
某公司生产的KQP-220-78型空气炮，该空气炮高压气室体积为100 L，炮管直径为78 mm，炮管长度为800 mm。以上述空气炮为原型，在ANSYS/ICEM CFD软件中按1∶1尺寸建立三维物理仿真模型，为了仿真空气由空气炮射流后空气参数的变化，在空气炮炮管出口处建立15 m×15 m×15 m的计算域，并在ICEM CFD软件中均匀划分网格，如图2所示。
将划分好的网格导入到ANSYS/Fluent软件中，根据上述理论模型，设置高压气室的初始压力为0.9 MPa，进行仿真，其压力变化云图和仿真结果分别如图3和图4所示。
由图3可以看出，气体由炮管内刚刚开始流出时，炮管出口处压力最大，形成一个压力波，压力波面在向炮口射流方向迅速推进的同时，波面以炮管出口水平线为中心线，呈轴对称形状小幅度向四周扩散，随着射流距离的增大，压力波面辐射范围增大，气体大面积扩散，气流压力降低。
由图4可知，气流流出空气炮炮管后的速度可以分为两个阶段：流速迅速下降阶段和缓慢下降阶段。当空气刚刚流出炮管时，其流速很高，气体向前推进时形成压力波，由于受到大气阻力的作用，压力急剧降低，气体流速下降严重，作用距离很短;在第二阶段，由于气体连续不断地流出，形成了一个个向前的波面，推动前面的气体流动，在推力的作用下，气流流速有所升高，但此时高压气室内的压力降低，随着高压气室内部压力的不断降低和空气的扩散作用，压力波面向四周扩散，压力逐渐减小，气流流动速度平缓下降。
3 实验分析
3.1 实验方案
实验采用某公司生产的KQP-220-78型空气炮，利用空气压缩机向空气炮供气，并用速度计测量气体流速，实验主要设备如图5和图6所示。
本实验的目的为测定空气炮在临界风速点时距炮管出口的距离，根据GB/T 10280—2008《便携式风力灭火机 技术条件》中的规定灭火临界风速点的风速值为22 m/s[15]，依据仿真结果，流速在22 m/s时距炮管的距离为11 m。因此选取9～13 m，每间隔0.2 m设置风速测量点。
本实验方案参考GB/T 10280—2008《便携式风力灭火机 技术条件》中的风力试验进行。在实验过程中需要注意事项为：
（1）在空气压缩机供气过程中，可以通过压力表读取高压气室内的压力，待压力表稳定在0.9 MPa时，再关闭电磁阀。
（2）炮管中心距地面不小于1 m，前方20 m内不得有障碍物，左右两侧2 m内均不得有影响射流的障碍物。
（3）为了排除实验时的风速对实验数据可能产生的误差，实验要求在无风的条件下进行。
3.2 实验结果及数据分析
通过多次实验，得到实验数据。对实验数据利用MATLAB进行多项式拟合，其拟合如图7所示。
由实验数据的整个下降趋势来看，实验中的距离为流速缓慢下降阶段，流速下降较为平缓，整个趋势与仿真结果相同;从数值角度来看，实验数据略有降低，这是由于实验时的天气条件所导致的。实验时的气候条件影响气压变化，属于不可避免的影响因素，对比仿真中的理想环境，会产生一些偶然误差。总体而言，实验结果与仿真结果基本吻合。
4 空气炮尺寸参数分析
利用空气炮响应时间短、射程大和灭火资源易获取等优点，可以有效熄灭森林火源，实现远距离灭火[16]。然而空气炮可以灭火是远远不够的，如何在一次喷射中可以有效熄灭更远距离的火灾是一个更有价值的问题。
文献[7]和[8]通过改变空气炮的初始条件和尺寸参数，如炮管长度、初始压力等，可以对空气炮进行优化。如果提高初始压力，会对空气炮的承压要求变高，在空气炮的生产过程中成本就大大增加，因此不考虑改变空气炮初始压力方面的因素，从空气炮的尺寸参数方面入手进一步提高空气炮的灭火能力[17]。
参考文献[18]中计算空气自由射流灭火的有效距离LC为：
根据公式（7）可知，射流灭火的有效距离与炮管的出口速度和炮管出口半径有关，有效灭火距离随着出口速度和出口半径的增加而增大。由于空气动力学的复杂性，不能因此做出判断，需要经过进一步分析是否可以通过改变空气炮的体积和炮管的直径达到增大空气炮灭火距离的目的。
为了验证空气炮尺寸参数对有效灭火距离的影响，节约实验成本，通过查找市面上的空气炮尺寸参数，选定和上述实验同种结构的空气炮，选用Ⅰ型（KQP-220-89）、Ⅱ型（KQP-220-108）、Ⅲ型（KQP-300-108）3种型号的空气炮进行仿真实验。3种型号空气炮的尺寸参数见表1。
图8中Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3种空气炮的射流速度为灭火临界风速值时距离炮管出口的距离分别为：17、19.8、20.1 m。Ⅰ型和Ⅱ型体积相同，Ⅱ型相比Ⅰ型炮管直径略有增加，射流距离有所增加;Ⅱ型和Ⅲ型炮管半径相同，高压气室体积不同，但曲线基本重合，射流距离相差不大。利用公式（7）计算不同型号空气炮的有效灭火距离见表2。
由表2可知，对比Ⅰ型和Ⅱ型空气炮，Ⅱ型空气炮管直径增大了19 mm，有效灭火距离增大了38.9%，仿真结果与上述定性分析结论相同，但无限增大炮管直径同时会减小炮管的出口速度，同样会减小空气炮的有效灭火距离，因此在一定范围内增大炮管直径可以提高空气炮的有效灭火距离;相比于Ⅱ型空气炮，Ⅲ型空气炮的体积增加了80 L，Ⅱ型空气炮和Ⅲ型的空气炮的有效灭火距离大小基本相同，增大空气炮高压气室的体积，增大了排出气体的量，延长了排放时间，并没有增加空气炮的有效灭火距离。由此可以得出结论，在利用空气炮灭火时，适当增大空气炮管直径可以增加空气炮的灭火距离，提高灭火效率。
5 结论
将空气炮装备应用于森林消防领域，在国内的相关研究中鲜有报道，其应用原理与“吹灭蜡烛”的原理相同。本文建立了空气炮的理论模型，为灭火空气炮的选型提供理论基础，空气炮可以实现远距离灭火，为森林消防提供新的灭火装备。通过分析相关参数得出以下结论：
（1）Ⅲ型空气炮比Ⅱ型空气炮高压气室体积增大了80 L，有效灭火距离变化很小，高压气室体积对空气炮的有效灭火距离影响很小。
（2）Ⅱ型空气炮比I型空气炮直径增加了19 mm，有效灭火距离增加了38.9%，增大空气炮管直径可以增加空气炮的有效灭火距离。
【参 考 文 献】
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