CN105702115A - 一种泡沫灭火训练装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泡沫灭火训练装置及控制方法，包括漏斗状的泡沫收集容器，泡沫收集容器的下部设有导流槽，导流槽的侧壁设有超声波速度探测器，泡沫收集容器的上部设有保护格栅，泡沫收集容器的中部设有常驻点火器，常驻点火器的周围设有主燃烧器，主燃烧器的上部设有燃烧器挡板，主燃烧器通过管路和流量控制器与主燃料入口连接，常驻点火器通过管路与预混燃料入口连接。通过耦合灭火剂与油池火相互作用效果的火源控制程序，主动控制火源功率。可以确定泡沫灭火过程中火源功率的理论变化规律，从而主动控制燃料供应流量，动态模拟灭火过程，使得灭火训练在安全、可控的基础上实现更加真实的场景模拟。

Description

一种泡沫灭火训练装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种消防训练设备，尤其涉及一种泡沫灭火训练装置及控制方法。

背景技术

泡沫灭火是扑救油类火灾最有效的灭火手段。泡沫的重要特征是其密度小于一般的油类，当泡沫灭油火时，泡沫能浮于燃油上方，从而达到对覆盖燃料表面、隔绝氧气并实现灭火的目的。因其在扑救油火时的优异性能，泡沫灭火系统被广泛应用于机场、港口、油库等场所的火灾扑救中，国内外服务于上述场所的消防队伍都会经常开展泡沫灭火训练来提高实战水平。

泡沫在蔓延过程中的损失主要由泡沫的析液和蒸发导致。Persson(1994)等人的研究发现，泡沫析液主要改变泡沫的密度而对泡沫的厚度影响很小，外部辐射源主要影响泡沫的厚度，辐射导致的泡沫厚度的变化与外加辐射的强度有关，并且热辐射导致的泡沫损失和泡沫蔓延过程基本上是相互独立的。基于上述理论，可以通过分别对泡沫蔓延过程和热辐射导致的泡沫损失进行计算，叠加计算得到泡沫的灭火效果。

现有技术中的相关装备因为没有针对泡沫灭火特点进行设计难以满足泡沫灭火训练的特殊需求。如消防训练演习装置(申请号：CN03824411.X)、消防灭火训练机(申请号：CN201110168665.X)、飞机实体火灾消防训练模拟器(申请号：CN201410211895.3)等为了实现灭火训练的安全、可控、清洁和高效，都采用固定流量的气体燃料燃烧模拟火灾。在这种情况下即使泡沫覆盖火源，气体燃料仍然能够穿过泡沫层，导致泡沫灭火剂对火灾几乎没有影响。这些火灾训练装置无法模拟泡沫灭火剂扑灭火灾的动态过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种灭火训练在安全、可控、场景模拟真实的泡沫灭火训练装置及控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的泡沫灭火训练装置，包括漏斗状的泡沫收集容器，所述泡沫收集容器的下部设有导流槽，所述导流槽的侧壁设有超声波速度探测器，所述泡沫收集容器的上部设有保护格栅，所述泡沫收集容器的中部设有常驻点火器，所述常驻点火器的周围设有主燃烧器，所述主燃烧器的上部设有燃烧器挡板，所述主燃烧器通过管路和流量控制器与主燃料入口连接，所述常驻点火器通过管路与预混燃料入口连接。

本发明的上述的泡沫灭火训练装置的控制方法，包括：

获取所述超声波速度探测器的泡沫流量测量信号和燃烧器流量控制装置的燃料供应流量数据，通过耦合灭火剂与油池火相互作用效果的火源控制程序，主动控制火源功率，将泡沫收集测量装置测量到的泡沫流量参数输入到火源控制程序中，通过控制程序中自建的运算方法，计算得到燃烧器的目标热释放速率，控制程序向燃烧器流量控制装置发出流量调节信号，燃烧器流量控制装置实时调节燃料供应流量，改变火源功率。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的泡沫灭火训练装置及控制方法，可以确定泡沫灭火过程中火源功率的理论变化规律，从而主动控制燃料供应流量，动态模拟灭火过程，使得灭火训练在安全、可控的基础上实现更加真实的场景模拟。

附图说明

图1为本发明实施例提供的泡沫灭火训练装置的总体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的泡沫灭火训练装置的俯视图；

图3为本发明实施例提供的泡沫灭火训练装置的侧视图；

图4为本发明实施例中火源控制程序控制逻辑图；

图5为本发明实施例中灭火成功情况下火源热释放速率图；

图6为本发明实施例中灭火失败情况下火源热释放速率图。

图中：

1为泡沫收集容器，2为导流槽，3为超声波速度探测器，4为主燃烧器，5为燃烧器挡板，6为常驻点火器，7为流量控制器，8为主燃料入口，9为预混燃料入口，10为保护格栅。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的泡沫灭火训练装置，其较佳的具体实施方式是：

包括漏斗状的泡沫收集容器，所述泡沫收集容器的下部设有导流槽，所述导流槽的侧壁设有超声波速度探测器，所述泡沫收集容器的上部设有保护格栅，所述泡沫收集容器的中部设有常驻点火器，所述常驻点火器的周围设有主燃烧器，所述主燃烧器的上部设有燃烧器挡板，所述主燃烧器通过管路和流量控制器与主燃料入口连接，所述常驻点火器通过管路与预混燃料入口连接。

本发明的上述的泡沫灭火训练装置的控制方法，其较佳的具体实施方式是：

包括：

获取所述超声波速度探测器的泡沫流量测量信号和燃烧器流量控制装置的燃料供应流量数据，通过耦合灭火剂与油池火相互作用效果的火源控制程序，主动控制火源功率，将泡沫收集测量装置测量到的泡沫流量参数输入到火源控制程序中，通过控制程序中自建的运算方法，计算得到燃烧器的目标热释放速率，控制程序向燃烧器流量控制装置发出流量调节信号，燃烧器流量控制装置实时调节燃料供应流量，改变火源功率。

在进行灭火训练时，只有有效作用于火源的泡沫才能够进入所述的泡沫收集容器后汇入导流槽，通过所述的超声波速度测量器测量导流槽中泡沫的运动速度，采用公式

${\stackrel{\·}{V}}_{foam}=A_S\·v_{foam}$

计算泡沫流量，式中：A_s为导流槽的截面积，v_foam为超声波速度测量器测得的泡沫运动速度。

所述火源控制程序对接收到的泡沫流量测量信号进行判断，当检测到灭火剂持续作用时，火源的燃料供应流量按泡沫灭火模型减小，之后需判断流量是否减小到零，如已减小到零，则认为灭火成功，火源被扑灭；如未减小到零，则返回继续判断是否继续检测到灭火剂作用；

当检测到灭火剂未持续作用时，判断流量是否已恢复设计值，如燃料供应流量低于设计值，则按灭火剂损失模型增大燃料供应流量，这相当于灭火后的复燃过程；如燃料供应流量已达到设计值，则保持该流量，说明之前喷射的灭火剂已完成失去作用，上述两种情况下，都需要继续返回循环判断是否再次检测到灭火剂的作用。

所述火源控制程序在计算模拟的火灾流量时，假设泡沫按轴对称蔓延，由泡沫在燃料表面的蔓延和损失理论模型计算实际模拟的火源功率，再折算输出的气体燃料流量控制信号，所模拟的火源功率由假想的油类液体燃料着火模型，按公式

${\stackrel{\·}{Q}}_{fire}={{\stackrel{\·}{m}}_{fuel}}^{\′\′}\·A_{fuel}\·{\mathrm{\ΔH}}_c$

进行计算，式中：为单位面积的质量损失速率，由公式计算，其为等效直径A_fuel为燃料燃烧的表面积，ΔH_c为液体燃料的燃烧热；

模拟中假想的液体燃料实际燃烧的表面积A_fuel，通过所模拟的燃油总面积A_total减去被泡沫覆盖的燃料面积A_foam得到，由公式

A_fuel＝A_total-A_foam计算；

轴对称蔓延的泡沫覆盖的区域呈圆形，通过半径进行计算，其中A_foam＝πR_foam ²。上述假想的泡沫蔓延过程中未考虑外部辐射对泡沫损失的影响，因此需要额外计算泡沫辐射的影响；

在泡沫连续作用的情况下，泡沫蔓延与热辐射同时作用。当泡沫持续作用时，泡沫覆盖半径需要修正为下式：

${R_{foam}}^{\′}\left(t\right)=R_{foam}\left(t\right)-\frac{R_{foam}\left(t\right)}{h_0\left(t\right)}\mathrm{\δ}\left(t\right)$

当泡沫在t₀时刻停止作用的情况下，仅有热辐射的损失作用，这时泡沫覆盖半径需要修正为下式；

${R_{foam}}^{\′}\left(t\right)=R_{foam}\left(t_0\right)-\frac{R_{foam}\left(t_0\right)}{h_0\left(t_0\right)}\mathrm{\δ}\left(t\right)$

上面两个公式中，R_foam和h₀分别由轴对称的泡沫蔓延理论得到，分布采用以下公式计算：

$h_0={\left(\frac{27{\stackrel{\·}{V}}^3}{4{\mathrm{\π}}^3{\mathrm{\β}}^2{R_0}^2}\right)}^{1/7}\·t^{1/7}$

$R={\left(\frac{18}{{\mathrm{\π}}^2}{\mathrm{\βR}}_0{\stackrel{\·}{V}}^2\right)}^{1/7}\·t^{3/7}$

其中泡沫初始厚度h₀和前锋位置R主要为泡沫流量，泡沫摩擦力参数β和时间决定，泡沫摩擦力参数β主要由泡沫的基本物性决定，随不同泡沫组分的变化而变化，δ(t)为泡沫由于热辐射降低的厚度，通过泡沫辐射损失理论可以得到其与辐射强度有如下关系：

$\mathrm{\δ}\left(t\right)=(a\·e^{\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{q}}_r^{\′\′}}+b)\·t$

其中a，b和α都为常数，由泡沫的基本物性决定，对不同的泡沫，通过实验测量得到。

通过上述计算方法，可以确定泡沫灭火过程中火源功率的理论变化规律，从而主动控制燃料供应流量，动态模拟灭火过程，使得灭火训练在安全、可控的基础上实现更加真实的场景模拟。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)采用气体燃料模拟火源，燃料清洁、环保，燃烧后不残留燃烧产物。通过流量的控制，可以随时关闭和开启火源，保证训练过程的安全、可控。燃料的供应连续，可以保证长时间的训练。

(2)准确探测有效作用到火源位置的灭火剂的流量，通过超声波的泡沫速度探测器测量泡沫流量，探测到的流量不仅可以用于灭火操作训练的评价指标，而且为火源燃料供应流量的控制提供输入参数。

(3)采用主动的燃料流量控制程序，耦合控制泡沫灭火剂作用后的燃料供应流量，能够更加真实的模拟泡沫灭火场景。

具体实施例：

如图1至图6所示，泡沫灭火训练装置中泡沫收集测量装置和燃烧器流量控制装置集成设计，泡沫收集容器1尺寸与燃烧火源大小一致，位于火源的下方，当有效的泡沫灭火剂被喷射到火源时，泡沫灭火剂进入泡沫收集容器1，通过泡沫收集容器1的收缩形结构将泡沫汇入导流槽2中，在导流槽2两侧中间位置安装超声波速度探测器3，超声波速度探测器3分发射器和接收器分布位于导流槽的两侧。主燃烧器4为环形圆管，圆管上方等距设置多个燃料出气孔，在主燃烧器4的上方设置燃烧器挡板5，燃烧器挡板5的作用一方面可以防止泡沫灭火剂进入燃料出气孔，另一方面可以降低燃烧器出口孔外的燃烧初始速度，从而保证火焰主要为浮力控制，更加真实的模拟火灾。为了保证安全性，在主燃烧器4的环形内部设置常驻点火器6，该点火器内设置火焰探测器，确保在燃烧器使用的整个过程中，常驻火焰不熄灭，保证训练过程的用气安全。在主燃烧器4的供气管道上设置燃料流量控制器7，可以实时的控制燃料的流量。主燃料入口8应接主供气管道，预混燃料入口9应接预混气体供应管道。

火源的控制逻辑如图4所示，当灭火训练开始后，利用超声波速度探测器3探测得到泡沫流动速度v_foam，根据公式

${\stackrel{\·}{V}}_{foam}=A_S\·v_{foam}$

计算泡沫流量

火源控制的目标功率，由假想的泡沫覆盖液体燃料的面积决定，泡沫蔓延和辐射损失计算中的相关参数由具体泡沫的物性参数决定，本实施方式中，选取了某种市售的3％的水成膜泡沫灭火剂，对其泡沫蔓延性能和辐射损失性能进行了实验测量。实验结果如表1所示。

表1泡沫蔓延性能实验工况与结果

实验结果拟合得到泡沫覆盖面积随泡沫流量和时间的一般函数关系，如下公式计算。

$A_{foam}=0.0033\[{10}^{-24/7}\·{(m/s)}^{2/7}\]\·{{\stackrel{\·}{V}}_{foam}}^{4/7}{t}^{6/7}$

计算得到βR₀＝2.06×10^-5m/s。

对泡沫初始高度为100mm的水成膜泡沫在5kW·m^-2、10kW·m^-2、20kW·m^-2、30kW·m^-2的热辐射通量下的泡沫高度的变化速率进行实验。该种泡沫损失速率用下式计算。

$\mathrm{\δ}\left(t\right)=(0.0092\·e^{0.1557{\stackrel{\·}{q}}_r^{\′\′}}+0.1458)\·t$

通过上述结果，可以计算不同情况下泡沫覆盖面积的半径。

当泡沫持续作用时，假想的泡沫覆盖半径为下式。

$R^{\′}\left(t\right)={\left(\frac{18}{{\mathrm{\π}}^2}{\mathrm{\βR}}_0{\stackrel{\·}{V}}^2\right)}^{1/7}\·t^{3/7}-{\left(\frac{8}{3}{\mathrm{\π\β}}^3{R_0}^3\right)}^{1/7}\·{\stackrel{\·}{V}}^{-1/7}\·t^{2/7}\mathrm{\δ}\left(t\right)$

当泡沫在t₀时刻停止作用的情况下，假想的泡沫仅有热辐射的损失作用。这时泡沫覆盖半径为下式。

$R^{\′}\left(t\right)={\left(\frac{18}{{\mathrm{\π}}^2}{\mathrm{\βR}}_0{\stackrel{\·}{V}}^2\right)}^{1/7}\·{t_0}^{3/7}-{\left(\frac{8}{3}{\mathrm{\π\β}}^3{R_0}^3\right)}^{1/7}\·{\stackrel{\·}{V}}^{-1/7}\·{t_0}^{2/7}\mathrm{\δ}\left(t\right)$

得到了修正后的泡沫覆盖半径后按下式计算泡沫覆盖面积。

A_foam＝πR′(t)²

模拟中假想的液体燃料燃料实际燃烧的表面积A_fuel，可以通过所模拟的燃油总面积A_total减去被泡沫覆盖的燃料面积A_foam得到，由公式

A_fuel＝A_total-A_foam

最后模拟的火源功率由下式确定。

${\stackrel{\·}{Q}}_{fire}={{\stackrel{\·}{m}}_{fuel}}^{\′\′}\·A_{fuel}\·{\mathrm{\ΔH}}_c$

根据上述程序算法和参数确定方法，假设某火源设计热释放速率为2.0MW，燃料为航空煤油，火源按超快速火增长，当采用某手持式水成膜泡沫灭火器进行灭火训练时，该系统的设计泡沫喷射流量为10.0L/min，泡沫的发泡倍数S为10，泡沫受到的辐射与典型池火燃料表面受到的热反馈一致，统一取20kW/m²。

当灭火剂能持续喷射到火源时，火源能够最快被扑灭。对于2MW的航空煤油油池火，在灭火动作开始之前，火源呈自由燃烧状态。假设泡沫灭火装置从200s开始持续作用于火源，在典型的30kW/m²辐射作用下，泡沫蔓延和泡沫损失同时进行。这时，计算得到由热辐射导致的泡沫厚度损失如下式所示。

δ(t)＝1.14×10^-3[m/s]·t

当泡沫灭火剂作用后，计算得到泡沫实际覆盖的半径如下式所示。该计算结果仅在t＞200s且R′(t)＞0时有意义。

$\begin{array}{c}{R}^{\′}\left(t\right)=R(t-200s)-\frac{R(t-200s)}{h_0(t-200s)}\mathrm{\δ}(t-200s)\\ =0.12\[m/s^{\frac{3}{7}}\]\×{(t-200s)}^{\frac{3}{7}}-1.14\×{10}^{-3}\[m/s^{\frac{9}{7}}\]\×{(t-200s)}^{9/7}\end{array}$

经计算得到火源的功率变化如图5所示。从计算结果我们可以发现，火源在100s左右达到稳定，在200s开始灭火后，最快需要约40s能够将火源扑灭，在灭火训练时，这种情况是理想的灭火过程。

当灭火剂未能持续喷射到火源时，灭火作用停止后，之前覆盖的泡沫受热辐射的作用，泡沫的覆盖面积会逐渐减小，火源会出现复燃。对于2MW的航空煤油油池火，假设灭火作用从200s开始，持续20s后由于操作失误，灭火剂未能直接作用于火源。当灭火停止后，计算得到泡沫实际覆盖的半径如下式所示。

$R^{\′}\left(t\right)=R\left(20s\right)-\frac{R\left(20s\right)}{h_0\left(20s\right)}\[\mathrm{\δ}\left(20s\right)+\mathrm{\δ}(t-220s)\]$

$=0.12\[\frac{m}{s^{\frac{3}{7}}}\]\×{\left(20s\right)}^{\frac{3}{7}}-1.14\×{10}^{-3}\[m/s^{\frac{9}{7}}\]\×{\left(20s\right)}^{2/7}\×{(t-200s)}^{2/7}$

该计算结果仅在t＞220s且R′(t)＞0时有意义。经计算得到火源的功率变化如图6所示。灭火停止后，火源逐渐增大。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种泡沫灭火训练装置，其特征在于，包括漏斗状的泡沫收集容器，所述泡沫收集容器的下部设有导流槽，所述导流槽的侧壁设有超声波速度探测器，所述泡沫收集容器的上部设有保护格栅，所述泡沫收集容器的中部设有常驻点火器，所述常驻点火器的周围设有主燃烧器，所述主燃烧器的上部设有燃烧器挡板，所述主燃烧器通过管路和流量控制器与主燃料入口连接，所述常驻点火器通过管路与预混燃料入口连接。

2.一种权利要求1所述的泡沫灭火训练装置的控制方法，其特征在于，包括：

获取所述超声波速度探测器的泡沫流量测量信号和燃烧器流量控制装置的燃料供应流量数据，通过耦合灭火剂与油池火相互作用效果的火源控制程序，主动控制火源功率，将泡沫收集测量装置测量到的泡沫流量参数输入到火源控制程序中，通过控制程序中自建的运算方法，计算得到燃烧器的目标热释放速率，控制程序向燃烧器流量控制装置发出流量调节信号，燃烧器流量控制装置实时调节燃料供应流量，改变火源功率。

3.根据权利要求2所述的泡沫灭火训练装置的控制方法，其特征在于，在进行灭火训练时，只有有效作用于火源的泡沫才能够进入所述的泡沫收集容器后汇入导流槽，通过所述的超声波速度测量器测量导流槽中泡沫的运动速度，采用公式

${\stackrel{\·}{V}}_{foam}=A_s\·v_{foam}$

计算泡沫流量，式中：A_s为导流槽的截面积，v_foam为超声波速度测量器测得的泡沫运动速度。

4.根据权利要求3所述的泡沫灭火训练装置的控制方法，其特征在于，所述火源控制程序对接收到的泡沫流量测量信号进行判断，当检测到灭火剂持续作用时，火源的燃料供应流量按泡沫灭火模型减小，之后需判断流量是否减小到零，如已减小到零，则认为灭火成功，火源被扑灭；如未减小到零，则返回继续判断是否继续检测到灭火剂作用；

当检测到灭火剂未持续作用时，判断流量是否已恢复设计值，如燃料供应流量低于设计值，则按灭火剂损失模型增大燃料供应流量，这相当于灭火后的复燃过程；如燃料供应流量已达到设计值，则保持该流量，说明之前喷射的灭火剂已完成失去作用，上述两种情况下，都需要继续返回循环判断是否再次检测到灭火剂的作用。

5.根据权利要求4所述的泡沫灭火训练装置的控制方法，其特征在于，所述火源控制程序在计算模拟的火灾流量时，假设泡沫按轴对称蔓延，由泡沫在燃料表面的蔓延和损失理论模型计算实际模拟的火源功率，再折算输出的气体燃料流量控制信号，所模拟的火源功率由假想的油类液体燃料着火模型，按公式

${\stackrel{\·}{Q}}_{fire}={{\stackrel{\·}{m}}_{fuel}}^{\′\′}\·A_{fuel}\·{\mathrm{\ΔH}}_c$

进行计算，式中：为单位面积的质量损失速率，由公式计算，其为等效直径A_fuel为燃料燃烧的表面积，ΔH_c为液体燃料的燃烧热；

模拟中假想的液体燃料实际燃烧的表面积A_fuel，通过所模拟的燃油总面积A_total减去被泡沫覆盖的燃料面积A_foam得到，由公式

A_fuel＝A_total-A_foam计算；

轴对称蔓延的泡沫覆盖的区域呈圆形，通过半径进行计算，其中A_foam＝πR_foam ²。上述假想的泡沫蔓延过程中未考虑外部辐射对泡沫损失的影响，因此需要额外计算泡沫辐射的影响；

在泡沫连续作用的情况下，泡沫蔓延与热辐射同时作用。当泡沫持续作用时，泡沫覆盖半径需要修正为下式：

${R_{foam}}^{\′}\left(t\right)=R_{foam}\left(t\right)-\frac{R_{foam}\left(t\right)}{h_0\left(t\right)}\mathrm{\δ}\left(t\right)$

当泡沫在t₀时刻停止作用的情况下，仅有热辐射的损失作用，这时泡沫覆盖半径需要修正为下式；

${R_{foam}}^{\′}\left(t\right)=R_{foam}\left(t_0\right)-\frac{R_{foam}\left(t_0\right)}{h_0\left(t_0\right)}\mathrm{\δ}\left(t\right)$

上面两个公式中，R_foam和h₀分别由轴对称的泡沫蔓延理论得到，分布采用以下公式计算：

$h_0={\left(\frac{27{\stackrel{\·}{V}}^3}{4{\mathrm{\π}}^3{\mathrm{\β}}^2{R_0}^2}\right)}^{1/7}\·t^{1/7}$

$R={\left(\frac{18}{{\mathrm{\π}}^2}{\mathrm{\βR}}_0{\stackrel{\·}{V}}^2\right)}^{1/7}\·t^{3/7}$

其中泡沫初始厚度h₀和前锋位置R主要为泡沫流量泡沫摩擦力参数β和时间决定，泡沫摩擦力参数β主要由泡沫的基本物性决定，随不同泡沫组分的变化而变化，δ(t)为泡沫由于热辐射降低的厚度，通过泡沫辐射损失理论可以得到其与辐射强度有如下关系：

$\mathrm{\δ}\left(t\right)=(a\·e^{\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{q}}_r^{\′\′}}+b)\·t$

其中a，b和α都为常数，由泡沫的基本物性决定，对不同的泡沫，通过实验测量得到。