灭火空气炮的仿真与尺寸参数分析

灭火空气炮的仿真与尺寸参数分析作者：李春雷储江伟高伟健解清波

来源：《森林工程》2020年第04期

摘要：為解决森林火灾问题，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

森林火灾一旦发生，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、有效的滅火方式。

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。