李春雷 儲江偉 高偉健 解清波

摘 要：為解決森林火災問題，利用空氣炮射程遠的特點，將空氣炮裝備應用于森林消防領域。本文建立空氣炮射流的數(shù)學模型，利用Fluent軟件和實驗進行模型驗證;在探討如何通過改變空氣炮尺寸參數(shù)提高空氣炮的有效滅火距離問題基礎上，通過理論分析，選取空氣炮高壓氣室體積和炮管直徑兩個影響因素，選定市面上3種不同型號的空氣炮進行仿真。實驗結果表明：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。由此可以得出結論：適當?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空氣炮有效滅火距離的作用不明顯。

關鍵詞：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

森林火災一旦發(fā)生，對環(huán)境造成的危害是不可避免的。近年來，全球森林火災頻發(fā)，對社會經(jīng)濟造成了嚴重的損失和威脅。為此我國對森林火災救援裝備的研究在不斷發(fā)展更新[1]。

辛喆等[2]為了提高便攜式風力滅火機的滅火效率，應用最優(yōu)化理論，以風力滅火效率為目標建立數(shù)學模型，對其影響因素進行分析，建立了風力滅火機的三維模型，并利用Fluent軟件對改進前后流場進行仿真，仿真結果表明：優(yōu)化后的流場可以有效提高風力滅火機的效率。

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，實現(xiàn)滅火與機車結合，在打水、吸水和吸水測試中達到了預期改裝的目標，實現(xiàn)了可持續(xù)滅火的目的。

林區(qū)消防車是熄滅森林火災的一種有效手段。孫術發(fā)等[4]設計了一種履帶式消防車，將支重輪由4個增加到了5個，并利用CREO軟件進行仿真分析，同時在試驗場進行了試驗，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。對于便攜式風力滅火機主要是消防人員手持滅火器進入火災現(xiàn)場，近距離滅火，適合于森林火災熄滅后對于隱患火災的處理，可以作為森林滅火的輔助手段，但對于大型森林火災不起作用;對于以水滅火的方式，由于林區(qū)中缺乏有效的水源，水資源不能得到及時供給，因此滅火效果不好[5]。

空氣炮基于空氣動力學原理，以壓縮空氣為動力源，將壓縮空氣瞬間釋放，從而產(chǎn)生巨大的動能，并帶走周圍的氧氣可以實現(xiàn)滅火[6]。森林消防可以利用空氣炮的這種特點，實現(xiàn)中長距離滅火，利用釋放的空氣散熱，帶走火焰中心的熱量，實現(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。

蘇紅星等[7]以提高空氣炮裝備的整體性能為目標，在分析原始方案的基礎上，建立了空氣炮的優(yōu)化模型，通過優(yōu)化模型得出結論：增加炮管長度，可以顯著降低高壓氣室的初始壓力和容積，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)學模型，在Fluent軟件中進行了仿真實驗，設置初始壓力為0.4～0.8 MPa，得到了不同時刻的速度和壓力云圖，通過仿真分析得出結論：初始壓力越高，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用，為滅火空氣炮的選型提供理論基礎，為森林消防提供新的滅火裝備。

1 空氣炮的工作過程

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，并且在空氣的運動過程中降低火焰的溫度，破壞了燃燒條件，從而終止了燃燒過程?？諝馀诳梢詫崿F(xiàn)遠距離滅火，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^程示意圖如圖1所示。

空氣炮裝備利用了氣壓平衡原理。當電磁閥開啟時，空氣壓縮機通過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，堵住炮管進氣口，壓縮空氣通過缸套上的孔隙進入空氣炮高壓氣室;當電磁閥關閉時，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，使空氣壓力能轉變成空氣射流的動能，產(chǎn)生強大的沖擊力[10]。

2 空氣炮射流模型的建立與仿真分析

2.1 基本假設

根據(jù)上述空氣炮的噴爆過程，可以得出該過程是一個空氣動力學問題，但是由于空氣流體的復雜性，很難建立一個準確的空氣炮理論模型，因此采用合理簡化原有模型的方法進行建模[11]。

根據(jù)空氣炮的噴爆過程，對整個過程做出基本假設：

（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)射過程中的膨脹可認為是絕熱過程。

（3）氣體壓力和能量在發(fā)射過程中的損失可以忽略不計。

2.2 空氣炮的理論模型

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

（1）狀態(tài)方程?？諝馀谠趪姳^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)格導入到ANSYS/Fluent軟件中，根據(jù)上述理論模型，設置高壓氣室的初始壓力為0.9 MPa，進行仿真，其壓力變化云圖和仿真結果分別如圖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，炮管出口處壓力最大，形成一個壓力波，壓力波面在向炮口射流方向迅速推進的同時，波面以炮管出口水平線為中心線，呈軸對稱形狀小幅度向四周擴散，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階段：流速迅速下降階段和緩慢下降階段。當空氣剛剛流出炮管時，其流速很高，氣體向前推進時形成壓力波，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，形成了一個個向前的波面，推動前面的氣體流動，在推力的作用下，氣流流速有所升高，但此時高壓氣室內(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散作用，壓力波面向四周擴散，壓力逐漸減小，氣流流動速度平緩下降。

3 實驗分析

3.1 實驗方案

實驗采用某公司生產(chǎn)的KQP-220-78型空氣炮，利用空氣壓縮機向空氣炮供氣，并用速度計測量氣體流速，實驗主要設備如圖5和圖6所示。

本實驗的目的為測定空氣炮在臨界風速點時距炮管出口的距離，根據(jù)GB/T 10280—2008《便攜式風力滅火機 技術條件》中的規(guī)定滅火臨界風速點的風速值為22 m/s[15]，依據(jù)仿真結果，流速在22 m/s時距炮管的距離為11 m。因此選取9～13 m，每間隔0.2 m設置風速測量點。

本實驗方案參考GB/T 10280—2008《便攜式風力滅火機 技術條件》中的風力試驗進行。在實驗過程中需要注意事項為：

（1）在空氣壓縮機供氣過程中，可以通過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，再關閉電磁閥。

（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2 m內(nèi)均不得有影響射流的障礙物。

（3）為了排除實驗時的風速對實驗數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生的誤差，實驗要求在無風的條件下進行。

3.2 實驗結果及數(shù)據(jù)分析

通過多次實驗，得到實驗數(shù)據(jù)。對實驗數(shù)據(jù)利用MATLAB進行多項式擬合，其擬合如圖7所示。

由實驗數(shù)據(jù)的整個下降趨勢來看，實驗中的距離為流速緩慢下降階段，流速下降較為平緩，整個趨勢與仿真結果相同;從數(shù)值角度來看，實驗數(shù)據(jù)略有降低，這是由于實驗時的天氣條件所導致的。實驗時的氣候條件影響氣壓變化，屬于不可避免的影響因素，對比仿真中的理想環(huán)境，會產(chǎn)生一些偶然誤差?？傮w而言，實驗結果與仿真結果基本吻合。

4 空氣炮尺寸參數(shù)分析

利用空氣炮響應時間短、射程大和滅火資源易獲取等優(yōu)點，可以有效熄滅森林火源，實現(xiàn)遠距離滅火[16]。然而空氣炮可以滅火是遠遠不夠的，如何在一次噴射中可以有效熄滅更遠距離的火災是一個更有價值的問題。

文獻[7]和[8]通過改變空氣炮的初始條件和尺寸參數(shù)，如炮管長度、初始壓力等，可以對空氣炮進行優(yōu)化。如果提高初始壓力，會對空氣炮的承壓要求變高，在空氣炮的生產(chǎn)過程中成本就大大增加，因此不考慮改變空氣炮初始壓力方面的因素，從空氣炮的尺寸參數(shù)方面入手進一步提高空氣炮的滅火能力[17]。

參考文獻[18]中計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，有效滅火距離隨著出口速度和出口半徑的增加而增大。由于空氣動力學的復雜性，不能因此做出判斷，需要經(jīng)過進一步分析是否可以通過改變空氣炮的體積和炮管的直徑達到增大空氣炮滅火距離的目的。

為了驗證空氣炮尺寸參數(shù)對有效滅火距離的影響，節(jié)約實驗成本，通過查找市面上的空氣炮尺寸參數(shù)，選定和上述實驗同種結構的空氣炮，選用Ⅰ型（KQP-220-89）、Ⅱ型（KQP-220-108）、Ⅲ型（KQP-300-108）3種型號的空氣炮進行仿真實驗。3種型號空氣炮的尺寸參數(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速值時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）計算不同型號空氣炮的有效滅火距離見表2。

由表2可知，對比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%，仿真結果與上述定性分析結論相同，但無限增大炮管直徑同時會減小炮管的出口速度，同樣會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，延長了排放時間，并沒有增加空氣炮的有效滅火距離。由此可以得出結論，在利用空氣炮滅火時，適當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 結論

將空氣炮裝備應用于森林消防領域，在國內(nèi)的相關研究中鮮有報道，其應用原理與“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，空氣炮可以實現(xiàn)遠距離滅火，為森林消防提供新的滅火裝備。通過分析相關參數(shù)得出以下結論：

（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】

[1] 高仲亮，王秋華，舒立福，等.森林火災撲救消防車裝備的種類及使用技術[J].林業(yè)機械與木工設備，2014，42（8）：10-14.

GAO Z L， WANG Q H， SHU L F， et al. Kinds of fire engines and technology used in forest fire suppression[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2014， 42（8）： 10-14.

[2]辛喆，李釗婧，王順喜，等.便攜式風力滅火機的數(shù)值優(yōu)化設計[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（9）：33-37.

XIN Z， LI Z J， WANG S X， et al. Numerical optimum design of portable pneumatic extinguisher[J]. Transactions of the CSAE， 2011， 27（9）： 33-37.

[3]崔航，張運林，舒展.輪式森林消防車與高壓儲能式脈沖滅火水槍的組合與應用[J].中南林業(yè)科技大學學報，2018，38（3）：109-114.

CUI H， ZHANG Y L， SHU Z. Combination and application of wheeled forest fire engine and high pressure energy storage pulse fire extinguisher[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology， 2018， 38（3）： 109-114.

[4]孫術發(fā)，任春龍，李濤，等.基于履帶式底盤的改進型森林消防車通過性[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34（17）：61-67.

SUN S F， REN C L， LI T， et al. Transitability of an improved forest fire truck based on tracked chassis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2018， 34（17）： 61-67.

[5]王康，盛平，楊家富.便攜式風力滅火機優(yōu)化研究綜述[J].林業(yè)機械與木工設備，2020，48（2）：4-10.

WANG K， SHENG P， YANG J F. Review of research on the optimization of portable pneumatic extinguisher[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2020， 48（2）： 4-10.

[6]李宏超.空氣炮測控系統(tǒng)研究[D].南京：南京理工大學，2013.

LI H C. Research on air cannon measurement and control system [D]. Nanjing： Nanjing University of Science and Technology， 2013.

[7]蘇紅星，趙俊利，馬春梅.某空氣炮設計方案的分析與優(yōu)化[J].火炮發(fā)射與控制學報，2018，39（1）：61-65.

SU H X， ZHAO J L， MA C M. Analysis and optimization of design scheme for a gas gun[J]. Journal of Gun Launch & Control， 2018， 39（1）： 61-65.

[8]金永飛，趙先科，李海濤，等.煤倉清堵空氣炮噴爆關鍵參數(shù)數(shù)值模擬[J].煤礦安全，2015，46（5）：193-196.

JIN Y F， ZHAO X K， LI H T， et al. Numerical simulation on bursting key parameters of air cannon in cleaning coal bunker blocking[J]. Safety in Coal Mines， 2015， 46（5）： 193-196.

[9]李華倫.發(fā)射回收一體化空氣炮性能研究[D].南京：南京理工大學，2013.

LI H L. Study on the performance of launch and recovery integrated air cannon [D]. Nanjing Nanjing University of Science and Technology， 2013.

[10]邢文朝.采用高速空氣射流的煤粉氣化爐數(shù)值模擬[D].北京：中國科學院大學（中國科學院工程熱物理研究所），2018.

XING W C. Numerical simulation of a pulverized coal gasified using high-speed air jets[D]. Beijing： University of Chinese Academy of Sciences （Institute of Engineering Thermophysics， Chinese Academy of Sciences）， 2018.

[11]胡露.露天礦遠距離除塵的射流裝置研究及優(yōu)化[D].西安：西安科技大學，2018.

HU L. Research and optimization of jet device for long distance dedusting in open pit mine[D]. Xian： Xian University of Science and Technology， 2018.

[12]蔣梅勝.噴粉式草原風力滅火機的研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2016.

JIANG M S. The research of the dusting pneumatic fire extinguisher using on grassland[D]. Beijing： China Agricultural University， 2016.

[13]沈維道，童鈞耕.工程熱力學[M].北京：高等教育出版社，2008.

SHEN W D， TONG J G. Engineering thermodynamics[M]. Beijing： Higher Education Press， 2008.

[14]肖程歡，魯寨軍.空氣炮碰撞實驗臺發(fā)射過程的數(shù)值模擬[J].爆炸與沖擊，2018，38（4）：931-936.

XIAO C H， LU Z J. Numerical simulation of launching process of air gun impact test-bed[J]. Explosion and Shock Waves， 2018， 38（4）： 931-936.

[15]GB/T 10280—2008，便攜式風力滅火機 技術條件 [S].

GB/T 10280 - 2008. Technical requirements for portable wind fire extinguishers[S]. 2008.

[16]高飛，周敬宣.幾何參數(shù)對空氣射流器性能影響的數(shù)值仿真研究[J].真空，2011，48（4）：22-25.

GAO F， ZHOU J X. Numerical simulation of influence of geometric parameters on the performance of air-jet vacuum pump[J]. Vacuum， 2011， 48（4）： 22-25.

[17]李林書.空氣引射風力滅火機的研究及其性能影響因素分析[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2014.

LI L S. Research on air ejecting pneumatic extinguisher and performance analysis of influencing factors[D]. Beijing： China Agricultural University， 2014.