【精品论文】灭火弹爆炸抛散灭火剂弥散机理的研究.doc

精品论文灭火弹爆炸抛散灭火剂弥散机理的研究关祥毅，刘少刚（哈尔滨工程大学机电工程学院，哈尔滨，150001）5摘要：采用灭火弹爆炸抛散灭火剂的方法进行树冠火的扑救，已经成为远程扑救树冠火的重要方式。固体灭火剂在爆炸力的作用下进行抛散时，受到外部环境及火场内气流的影响较大， 灭火剂使用效率较低。采用数值仿真与实验测定相结合的方法，得到灭火弹抛洒灭火剂的弥 散场，在保证灭火剂达到灭火浓度的基础上，优化了弹体结构设计，提高了灭火剂使用效率。 对于扑灭单株树冠火，灭火弹比药量在 1.5%，长径比为 3.8 时，灭火剂的弥散均匀，使用10量减少了 20%以上。关键词：灭火弹；抛散；灭火剂；数值仿真；实验测定中图分类号：S762Research on Dispersion Mechanism of Extinguishing Agent15Scattered by Grenade ExplosionGUAN Xiangyi, LIU Shaogang(College of Mechanical and Electrical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin150001)Abstract: Using the methods of grenade explosion scattering the extinguishing agent for crown fire20saves has been an important remote way for crown fire saves. Scattering the solid agent from explosion is greatly influenced by external environmental and airflow in fire, which results in the low efficiency of extinguishing agent. Dispersion area of grenade scattering extinguishing agent can be calculatedthrough the combination of numerical simulation and experimental determination. On the base of highextinguishing concentration, the structure of grenade is optimized and the efficiency of extinguishing25agent is improved. For monoclonal crown fire, specific central explosive about 1.5% and the ratio of height to diameter is 3.5, the extinguishing agent the dispersion uniformity, use reduced by more than20%.Key words: kgrenade; dispersion; extinguishing agent;numerical simulation;experimental determination300引言树冠火是在树冠层燃烧的林火，其燃烧温度高、火强度大、蔓延速度快，易引发特殊火 行为1。为降低消防人员的人身安全，最直接有效的方法是采用远程灭火弹进行扑救。国内 一些学者对燃料空气炸药抛撒原理进行了一系列研究。解放军军械工程学院的学者王克印、35魏茂洲经研究认为燃料空气炸弹云雾的形成过程，符合灭火弹对灭火剂的抛撒要求，在灭火 弹设计时，可利用燃料空气炸弹的抛撒理论。同时他们也注意到弹体结构、抛撒介质以及工 作环境的特殊要求，指出需要参照 FAE（空气燃料炸药）的研究方法，对特定弹体结构、 灭火剂和工作环境进行研究2-3。同时他们还对固体灭火剂在中心抛撒炸药作用下的抛撒效 果、抛撒半径、比药量与灭火效果的关系做了研究4-6。但对于较大体积的灭火弹抛散灭火40剂鲜有研究。树冠火场情况复杂，灭火剂在三维开敞空间燃烧场内的弥散，受燃烧场气流、基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20102304110007）作者简介：关祥毅（1981-），男，讲师，主要研究方向：机械电子工程通信联系人：刘少刚（1962-），男，教授，主要研究方向：机械电子工程. E-mail: liushaogang- 6 -枝条障碍等因素影响较大，如何在全面考虑各影响因素，更加准确的确定弥散过程，提高灭火剂的有效利用程度，有效扑灭树冠火，具有很大的经济效益。通过实验发现，现有灭火弹 进行抛散时，灭火剂抛散为碟状，而不是椭球体，抛散范围超出了树冠体积，浪费了灭火剂。 为了改善灭火效果，提高灭火剂的使用效率，节省灭火成本，需要对灭火剂的弥散情况进行45深入研究。1灭火弹结构设计当发生树冠火火灾时，灭火航弹由装有灭火剂和弥散装置的前舱和装有降落伞和抛伞装 置的后舱组成(子弹的结构与炮射灭火弹类似)。子弹开伞装置打开降落伞，缓慢下落，当子 弹在火场上方接触火焰时，位于子弹前方的温度传感器会感知到火焰温度。当达到设定阈值50时，微爆弥散装置起爆，弹内灭火剂正好在树冠顶部弥散，笼罩住整个树冠，从而使灭火剂 的效用得到最大发挥，使树冠火被迅即扑灭。灭火弹由炮射或飞机在火场上方投放等方式送 入火场上方，为了加工、投射方便，将灭火弹做成圆柱状，具体结构见图1。1前端传感器，2控制电路板，3引爆电雷管，4弥散主装药，5子弹中部弹壳，556 超细干粉灭火剂，7触发销钉，8伞弹连接器，9减速降落伞，10伞舱罩 图 1灭火弹结构示意图Fig.1structure of grenade假设对单株樟子松树冠火进行扑灭，树冠体积近似为圆柱的椭球体，长轴 7m，短轴 6m。整个树冠体积约为 197.82m³。灭火弹外壳采用玻璃钢加工，中心爆管内装有密度为 1.65g/cm360的黑索金，轰爆速度约为 8300 m/s。根据消防原理，超细干粉灭火剂在浓度为 64.4g/m3 时可 以有效扑灭树冠火。根据树冠体积得出灭火弹中装填灭火剂至少为 8.50kg，超细干粉灭火剂 密度 0.3g/cm3,装填体积至少为 28333.33cm3。在进行实地考察的过程中，发现原有灭火弹抛 散灭火剂的有效利用率约为 35%-40%。根据此参数优化灭火弹各参数。2灭火剂弥散数学模型65灭火弹爆炸抛散灭火剂属于气固两相流问题，其研究方法为实验和数值模拟。由于气固 两相流的复杂性，用现有的测试技术很难了解其全部流动特性，而数值模拟则可以获得两相 流动的全部信息，但是数值模拟计算量巨大，对于稠密气固两相流模拟困难，并且其结果的 正确与否又需要实验来检验。因此两种方法紧密联系，互为补充7。灭火弹爆炸抛撒灭火剂 时分为三个阶段：加速阶段、减速阶段和湍流阶段,燃料分散的径向范围主要依靠前两个阶70段,湍流阶段只使燃料云雾进一步均匀化8。 为了描述灭火弹中心爆管爆炸抛散灭火剂的机理及基本规律，借鉴 FAE 爆炸抛散及温压爆炸的数值模拟过程，对灭火弹爆炸抛散灭火剂过程进行以下基本假设：(1)流场轴对称 非定常流场；(2)中心爆管爆炸认为是瞬时轰爆模型，轰爆的气相产物为理想气体；(3)固态 灭火剂颗粒在轰爆产物的气相中，视为连续介质；(4)固态灭火剂颗粒在抛散过程中直径不75变，并保持球状；(5)考虑一维圆柱对称问题，爆点位于坐标原点，采用气固两相流模型研究固态燃料爆炸抛散问题9-14。气体和颗粒的质量、动量、能量方程如下。 由于大量的固体颗粒包含在气流中，采用欧拉气固两相模型进行分析。 固相质量守恒方程：¶e + u¶t¶ep ¶r- (1 - e )¶u p¶r- 2(1 - e )u p = 0r80固相动量守恒方程：p¶u p + u¶u p +1 ¶p =f p¶t¶rr p ¶r(1 - e )r p固相能量守恒方程：br é ¶ep + uëp ê ¶tp¶ep ù = Qû¶r úp气相质量守恒方程：¶r g85¶t+ ug¶r p¶r+ r g¶ug¶r+ r ge( ¶e¶t+ ug¶e ) +¶r2r g ug = 0r气相动量守恒方程：¶ug¶t+ ug¶ug + 1¶rr g¶p = -¶rf per g气相能量守恒方程：g êer é ¶egë ¶t+ ug¶eg ùû¶r ú + pé ¶eëê ¶t+ ug¶e ù¶r ûú+ ep¶ug¶r+ 2epugr= f p (ug - u p ) - Qr90结合状态方程 p = (g - 1) r g eg其中 r 气相， g 固相， p 压力，u 速度，s p 颗粒相的材料密度， Dp 颗 粒直径， r g 、 r p 分别为气相、颗粒相的浓度或表观密度。e 气相的体积分数， b 颗粒相体积分数 b = 1 - e； e 内能 e = cvT ； f p 两3r g r ppp相作用力 f p = 4 CD D s(u p - ug ) u p - ug 。95CD 阻力系数ReDC = 24 (1 + 0.15R 0.687 )ReeDC = 24 (1 + 0.15R 0.687 ) +0.42Re < 800R³ 800ee1 + 42500R -1.16er pC p m g NuQp 相间热传导Qp = 6pD2sp Pr(Tp - Tg )100C mP =p g 是普朗特数，C 定压比热。rl puuePrN Nussel 数， N = 2 + 0.459R 1 2 1 3r g Dp u p - ugRe Reynolds 数 Re =mgm g 气相导热系数 m g =3 2C T1 gC2 + TgC T 3 2l 粘性系数 l =3 g105其中：C1C4 = 648.42KC4 + Tg2= 0.1546 ´10-5 s × Pa ， C= 240.9K ， C3= 0.00353W(m × s × k ) ，110115采用时空全二阶精度的差分格式加上FCT技术求解气固两相流方程组,预测爆炸初期气 固两相速度及弥散距离。3灭火剂弥散实验分析依据数值仿真结果进行灭火弹静爆实验，选择灭火弹长径比为 3.3、3.8、4.3，比药量初 选 1.5%，2%，2.5%，采用玻璃钢为材质加工弹体外壳，在玻璃钢外壳上预制沟槽，进行实 验。在参数选择过程中，参考了 FAE 装置抛散液体燃料成雾的参数15。将灭火弹放置在中 心，按圆周方向距离中心 2.5m 均匀布置火桶，火桶内点燃火焰。在远处架设高速摄像机， 记录灭火弹弥散过程，分析弥散参数。根据扑灭单株樟子松树冠所需要的灭火剂量及发射灭 火弹用的炮筒，确定出样弹外径 255mm、壳体厚度 3mm。加工不同比药量、长径比的灭火 弹进行实验。针对不同结构的灭火弹进行静爆实验，其测量结果见表 1。表 1 灭火弹静爆结果Tab.1 The results of fire bomb static explosive编号长径比比药量R(m)H(m)V(m3)浓度 g/m3弥散形状A3.31.5%3.2715086椭球体B3.32%3.46.716280圆球体C3.32.5%3.96.320065扁平球体D3.81.5%3.47.217474椭球体E4.31.5%3.37.517076椭球体120C 样弹爆炸过程见图 2。(a)灭火弹静爆实验场 (b)灭火剂弥散初期(a) Fire bombs static burst experiment field (b) The early diffusion of extinguishing agent125130135140145150155160(c)灭火剂弥散中期 (d)灭火剂弥散后期(c) Extinguishing agent dispersion medium-term (d) Extinguishing agent dispersed late-term图 2 灭火弹抛散灭火剂过程Fig.2 Fire bombs scatter extinguishing agent根据表 1，对于 A、B、C 三个型号样弹，在相同长径比的基础上，发现弥散半径与比 药量有关，比药量越大，爆炸抛散灭火剂的半径就越大，弥散体积大。针对单株树冠火，选 择比药量为 1.5%较为合适，即节省炸药的使用量，降低炮弹碎片对消防员的危害，又能够 达到树冠火产生的范围，足够的浓度保证扑灭树冠火。相对于其它学者的研究，比药量较小， 分析原因，是由于炸药种类不同及炮弹尺寸较大而产生。对比 A、D、E 三组实验结果发现， 同样比药量的基础上，随着长径比的增加，弥散高度增加，弥散半径变化不大，针对椭球状 的树冠，采用长径比为 3.8 的样弹最为合理，抛散出的结果与树冠形状最为吻合。同时，实 验样弹都能有效扑灭桶中火苗，达到灭火效果。长径比为 3.8，比药量为 1.5%的灭火弹为最 优结构。因为，树冠火在较高开敞空间，树冠火内气体流动及飞速均较大。通过实验观察， 风速较小时灭火剂弥撒受风向、风速影响较大，采用最优结构的灭火弹抛散灭火剂即能节省 灭火剂、炸药的使用量，又能达到足够的浓度。当采用此种比例进行装药，实际装填灭火剂 为 13kg，平均浓度 74g/cm3，达到灭火要求。4结论本文通过借鉴温压炸药爆炸抛散燃料的数学模型，针对单株樟子松树冠火，建立了灭火 弹弥散的数学模型，采用实验的方法，对灭火弹进行了优化，得出的灭火弹的具体结构尺寸。 根据实验测定，相对于原有灭火弹结构，优化了长径比、比药量，对大型灭火弹进行了实验 研究。比较原使用灭火弹，灭火剂的使用量减少了 20-25%。通过实验也验证了数学模型的 正确性，为今后扑灭不同类型的树冠火改进灭火弹结构打下了基础、提供了一定的理论支持。参考文献 (References)1 赵凤君,王明玉,舒立福.森林火灾中的树冠火研究J.世界林业研究,2010,23(01):39-43. 2 魏茂洲,王克印.基于 FAE 技术的森林灭火弹药的研究J.林业科技,2006,31(06):32-34.3 张奇,覃彬,白春华,郭彦懿,刘庆明,梁慧敏.中心装药对 FAE 燃料成雾特性影响的试验分析J.含能材料,2007,15(05):447-450.4 李涛, 王克印, 张增军, 陈雪礼, 田海宁. 灭火弹比药量与灭火效果关系研究J. 军械工程学院学报,2009,21(06):23-25.5 桂潜波,王克印,赵瑞成.固体灭火剂爆炸抛撒半径分析J.军械工程学院学报,2008, 20(02):29-32.6 赵瑞成,王克印,魏茂洲,桂潜波.固体灭火剂在中心抛撒炸药作用下的试验研究J.科学技术与工程, 2008,2(8): 428 - 431.7 刘向军,石磊,徐旭常.稠密气固两相流欧拉-拉格朗日法的研究现状J.计算力学学报, 2007,24(02):166-172.8 罗艾民, 张奇, 李建平, 白春华. 爆炸驱动作用下固体燃料分散过程的计算分析J. 北京理工大学学报,2005,25(02):103-107.9 Zhang Qi,Wei Kezhen,Luo Aimin,Wang Denggui,Qin Bin.Numerical Simulation on Dispersal Character ofFuel by Central HEJ.Defence Science Journal,2007,57(04): 571-579.16517010 ZHANG Qi,LIN Da chao,BAI Chun hua.Effect of Center High Explosive in Dispersion of FuelJ. 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