侯曉靜 毛文鋒 鄭毅 劉馨澤 袁紀武

(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)模的不斷擴大[1]，火災表現出燃燒溫度高、消防人員難以靠近、火源位置難以精準預測等特點，因此對消防水炮射流軌跡的精準預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動。射流運動是隨時間、空間不斷發(fā)生變化的滅火過程，實現射流軌跡的精準預測是火災事故現場應急處置的關鍵，也是消防水炮水射流軌跡研究的研究熱點。國內外諸多學者對此進行了深入研究，但是仍然存在許多亟待解決的重點與難點問題[3-17]。為此，在先前學者們研究的基礎上，探討了消防水炮射流軌跡預測技術的研究現狀及其局限性，并對未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

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，遠距離撲救一般固體物質的消防設備。消防水炮主要由進口連接附件、炮體、炮頭噴射部件構成，炮體可以調整俯角、仰角、水平角的回轉角以達到任意角度的噴射滅火，同時炮頭噴射部件用以實現不同的噴射射流。它具有射程遠、性能穩(wěn)定可靠、操作靈活、維護方便的特點。

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，通常認為它是湍流運動，并且將水射入空氣中，此時是非淹沒射流，空氣可以認為是一個非常大的空間，水射流在這時可以認為其運動不受邊界的影響，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，雷諾數也大，作直線運動，其外形為充實液柱，在這樣的情況下可以認為重力、空氣阻力等外部作用力與表面張力和粘性力等內部作用力對射流沒有影響。射流經過一段時間后離出口處較遠，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，從而進行滅火，如圖1所示。

圖1 水射流運動示意

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，其運動過程受到多種流體力學不穩(wěn)定特征的影響，增加了其軌跡準確預測的難度。針對水射流的這些特征，國內外學者們采取了多種技術手段研究水射流軌跡預測技術，為快速有效撲滅火災提供精準指導。

2 消防水炮射流軌跡研究

2.1 基于數學計算的消防水炮射流軌跡研究

以質點運動學理論、外彈道學和液流破碎等理論為基礎，從消防水炮安裝高度、噴射仰角及壓力等方面出發(fā)，利用推導出的數學解析式預測射流軌跡，稱為“基于數學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系，并通過理論計算與實驗研究的方法，在國內首次建立射程的計算公式及其與射高的關系。HATTON等[16-17]考慮空氣阻力對于水射流運動的影響，通過模擬仿真與實驗數據相對比的方法，最終獲得運動軌跡曲線。萬峰等[18]根據質點運動學相關理論，結合實驗實測數據，推導出考慮炮口處初速度、噴射仰角、射程等工作參數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、流量等參數的優(yōu)化算法，該算法能夠解決由于重力引起的落點誤差問題，同時也避免了調試補償仰角的環(huán)節(jié)。朱蓓麗[20]參考不同工況參數下的仿真結果，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速度的影響規(guī)律，同時分析噴射誤差的起因，從而提出實現精準噴射的研究方法。

2.2 基于數值模擬的消防水炮射流軌跡研究

基于數值模擬的軌跡研究是利用CFD方法建立數值計算模型，并用于模擬消防炮射流運動軌跡。無網格粒子法是計算流體力學領域的一種計算方法，其中移動粒子半隱式法是無網格計算方法的典型代表。無網格粒子法具有無需生成網格的特點，這一特點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)現射流運動軌跡與水流量和工作壓力密切相關。PONZIANI等[6]等采用計算流體動力學方法建立消防水炮射流運動模型，發(fā)現其射流形狀與實驗結果基本吻合，并指出設置合適的網格尺寸更利于準確描述射流運動。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動方程的射流軌跡模擬模型。首先設定相關參數，運動方程計算模型生成射流軌跡仿真數據，將所獲得的數據結合粒子系統的表現形式，擬合成射流軌跡曲線，從而實現物理模型驅動的射流軌跡模擬。

2.3 基于計算機視覺的消防水炮射流軌跡研究

利用圖像識別和跟蹤技術，以攝像頭作為傳感器，將攝像頭采集的圖像、視頻信息進行計算機處理，通過圖像技術跟蹤射流軌跡運動，從而實現消防炮軌跡及落點的準確定位。這樣的研究稱為“基于計算機視覺的軌跡研究”[24]。陳靜[25]首先使用背景減除法、分割與濾波算法進行軌跡檢測，在此基礎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、處理后失真嚴重的問題。孫維祿[26]在前人的基礎上進一步提出使用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的研究，首先將背景減除法與矢量搜索法相結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合，進而識別、跟蹤射流運動。

3 總結與展望

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

3.1 數學公式研究方面

雖然國內外學者對基于數學計算的水炮射流預測技術進行了大量研究[27-28]，但這些研究大多是將水炮射流過程進行物理學簡化，將其看作簡單的射流曲線，研究運動過程中各物理參量的變化規(guī)律，忽略了水炮射流的實際形態(tài)特征呈水柱的特點，并且在使用拋物線模型進行重力和空氣阻力影響下水炮射流的力學分析時，由于對射流內部流場認識缺失，模型在降低射程誤差和提高落點預測準度等方面往往顯得力不從心。因此，為準確預測射流軌跡，構建其運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動，而呈曲線衰落趨勢，射流的水流落地點與實際火源位置會產生偏差，造成噴射不夠精準，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確的描述，但是很難準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，從而使得軌跡的準確預測非常困難。因此，在采用現代計算流體力學(CFD)的方法，有必要充分考慮大尺度射流運動過程中多種不穩(wěn)定因素的耦合作用，對水炮射流運動過程進行高精度數值模擬，獲取射流的形成、噴射、斷裂、破碎和霧化等等一系列細微特征，為水炮射流軌跡和落點的精準模型構建提供指導。

3.3 計算機視覺研究方面

基于計算機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，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現精準預測水炮射流軌跡的關鍵環(huán)節(jié)。

3.4 發(fā)展方向

現如今火災事故頻發(fā)，嚴重影響工農業(yè)發(fā)展和人民正常的生產生活，這就對消防水炮的技術發(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雜多變的過程，因此有必要建立可預測消防水炮軌跡線、落點位置的準確方法，從而滿足快速、準確滅火的需求。智能化是將來消防水炮技術發(fā)展的必然趨勢，而消防水炮射流軌跡的準確預測是實現消防水炮自動化和智能化的關鍵。構建面向火災事故現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，水滴運動距離就越遠。

(2)火災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生密度梯度，從而形成浮力效應?；鹩鹆鞯母×π档土怂蚊芏群退蝿恿?，從而對射流軌跡產生較大影響。根據火羽流已有的理論研究成果，結合工程實際應用，給出火羽流影響下射流軌跡線的預測模型。

(3)火場的風速、風向等氣象條件也會影響消防水炮射流運動軌跡，通過深入分析火災現場風場的規(guī)律和特點，得到風場的形成機制、影響范圍、運行變化規(guī)律及其對消防水炮射流軌跡的影響，建立消防水炮運動軌跡隨風速、風向等因素發(fā)生動態(tài)變化的近似估算式。