CN107845301A - 一种室内火灾模拟训练场景的智能模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种室内火灾模拟训练场景的智能模拟方法，包括以下步骤：建立室内火灾轰燃前烟气温度模型；根据烟气温度模型得到烟气温度随时间变化的曲线，预测轰燃时间；建立不同灭火难度的燃烧组合；将预测得到的轰燃时间和不同灭火难度的燃烧组合应用到火场环境。本发明所提出的烟气温度模型，可以预测室内多个场景的轰燃时间，比如办公场所、医院、剧场等，同时可以预测起始火源在房间内不同位置处、不同可燃物两个条件下的轰燃时间，为消防模拟训练提供多种火场环境，使训练更加多样化。

Description

一种室内火灾模拟训练场景的智能模拟方法

技术领域

本发明属于消防模拟训练技术领域，特别是涉及一种用于室内火灾模拟训练场景的模拟方法。

背景技术

近年来，随着国内消防训练工作的不断开展，消防部队已初步形成了抢险救援的战斗能力。消防队伍训练设施多停留在体能训练和战略性训练层面，缺少综合性、完善先进的消防训练基地，主要存在的训练不规范、训练设施缺乏、消防人员流动频繁等问题制约了消防队伍的发展。

为减少人员伤亡、财产损失，提高在特殊火灾和灾害事故处置行动中的成功率，2011年，国务院要求将消防工作纳入“十一五”国民经济和社会发展总体规划，从整体上加强消防基础设施建设。消防模拟训练的目的就是模拟真实的火灾现场，使受训人员体验更加接近火灾现场的感受，为以后参加真实的灭火救援打下良好的基础。

真实的火灾发展会涉及到某些特殊情况，比如轰燃、回燃等，这些特殊情况也为消防救援设下了很多困难，同时对消防训练人员的救火能力提出了考验。目前进行消防模拟训练时，很难对特殊情况的发生时间进行相对准确的估算，导致模拟出的火灾现场很难将现实中的火灾情况准确模拟。为了模拟仿真程度高的火灾环境，为了使消防训练人员提高面对不同火场环境时的处置能力，使模拟的火场环境趋于多样化和真实化很有意义。

发明内容

本发明目的是提供一种将室内火灾模型应用到消防模拟训练场景的智能设定方法，从而能够模拟不同燃烧情况下的真实的火灾现场，提高消防训练人员在面对不同火场情况的实战能力。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种室内火灾模拟训练场景的智能模拟方法，包括以下步骤：

建立室内火灾轰燃前烟气温度模型；

根据烟气温度模型得到烟气温度随时间变化的曲线，预测轰燃时间；

建立不同灭火难度的燃烧组合；

将预测得到的轰燃时间和不同灭火难度的燃烧组合应用到火场环境。

所述烟气温度模型：

其中，T_g为轰燃前烟气温度，t为时间，ρ₀为空气密度，C_p为定压比热容，V为房间体积，b为火灾发展系数，A_w为壁面面积，ε为内壁面总吸收系数，δ为玻尔兹曼常数，A_v为开口面积，m_g为烟气生成量，T_w为壁面温度，ε_v为烟气的有效发射率；T_a为环境温度。

所述根据烟气温度模型得到烟气温度随时间变化的曲线，预测轰燃时间包括以下步骤：

根据房间体积V、火灾发展系数b和烟气生成量m_g对烟气温度模型进行隐函数求解，得到每个房间的烟气温度与时间的关系曲线；

各曲线在烟气温度为600℃时对应的时间即为各房间的轰燃时间。

所述建立不同灭火难度的燃烧组合具体为：

一级燃烧：着火点处于燃烧状态；

二级燃烧：出现一级燃烧和轰燃；

三级燃烧：出现一级燃烧、轰燃和回燃。

所述将预测得到的轰燃时间和不同灭火难度的燃烧组合应用到火场环境包括以下步骤：

当用户设定某房间为一级燃烧时，控制该房间供气管路上的电磁阀和电动调节阀开启，起始着火点处发生燃烧；

当用户设定某房间为二级燃烧时，控制该房间起始着火点的电磁阀和电动调节阀开启，t₁时刻着火点处燃烧；该房间的轰燃时间t₂时刻全部着火点处供气管路上的电磁阀开启，电动调节阀开度全部开到最大，形成室内火灾的轰燃；

当用户设定某房间为三级燃烧时，控制该房间起始着火点的电磁阀和电动调节阀开启，t₁时刻起始着火点处燃烧，经过设定时间的灭火，t₂时刻火焰变小直到熄灭，着火点的电磁阀和电动调节阀关闭；t₃时刻该着火点电磁阀和电动调节阀再度开启，发生回燃；经过设定时间，t₄时刻全部着火点的电磁阀开启，电动调节阀开度全部开到最大，发生轰燃；t₄时刻为以t₃时刻为起始着火时间根据烟气温度模型得出的轰燃时间。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明通过室内烟气温度随时间变化的关系，根据国际认定的室内火灾发生轰燃的条件，得出轰燃时间，将得到的轰燃时间应用于火场环境的设定中，形成不同灭火难度的火场环境，使消防训练人员的训练更加真实化。

2.本发明所提出的烟气温度模型，可以预测室内多个场景的轰燃时间，比如办公场所、医院、剧场等，同时可以预测起始火源在房间内不同位置处、不同可燃物两个条件下的轰燃时间，为消防模拟训练提供多种火场环境，使训练更加多样化。

3.本发明提出了一种室内消防模拟训练的场景设定方法，解决了我国现有的消防模拟训练过程单一化，不能很好地满足消防官兵的多样化、真实化需求，从而无法达到更好的实战训练目的这一问题。

附图说明

图1是本发明的室内火灾轰燃前烟气温度随时间变化的曲线图；

图2a是本发明的火灾场景各燃烧状态的组合一示意图；

图2b是本发明的火灾场景各燃烧状态的组合二示意图；

图2c是本发明的火灾场景各燃烧状态的组合三示意图；

图3是本发明的火灾场景各燃烧状态的时间设定示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做进一步的详细说明。

以多个房间为模拟训练场所，在每个房间根据场景需要放置模拟道具，点火装置，燃烧装置等同时将若干着火点布置在不同位置，如墙角、地面等。每一个着火点的着火情况都由电磁阀和电动调节阀控制。

1.建立室内火灾轰燃前烟气温度温度模型：

轰燃是室内火灾由局部燃烧瞬间向全面燃烧的转变。通过对室内火灾火焰蔓延规律，烟气流动规律的分析，在这些分析的基础上对火灾现象理想化描述以及简化问题的求解，建立室内火灾轰燃前的烟气温度随时间变化的模型：

T_g＝f(V,b,m_g,t)

其中T_g为轰燃前烟气温度；b为火灾发展系数，不同可燃物的火灾发展系数不同；V为房间体积；m_g为烟气生成量，起始火源的位置不同，烟气生成量也不同；t为火灾发展的时间。

其推导过程如下：

将房间内热烟气作为研究对象，建立热平衡方程：

Q₁＝Q₂+Q₃+Q₄

式中Q₁为火源热释放速率，Q₂为单位时间内墙壁、顶棚的传热量，Q₃为单位时间内通风口处烟气的传热量，Q₄为单位时间内烟气的吸热量。

采用t²模型用于火源热释放速率的计算：

Q₁＝bt²

式中Q₁为火源热释放速率，单位是kW；b为火灾发展系数，单位是kW/s²；t为火灾发展时间，单位为s。其中火灾发展系数b受可燃物本身的特性所影响而变化。

墙壁、顶棚的吸热速率主要是对流换热和辐射换热，由于烟气与墙壁、顶棚等传热主要靠的是热辐射传热，为了简化计算，此处只计算辐射换热：

式中：A_w为壁面面积，单位是m²；T_g为烟气温度，单位是K；T_w为壁面温度,单位是K；δ为玻尔兹曼常数；ε为内壁面总吸收系数。

通风口处的烟气的传热量包括对流和辐射：

a.当起始火源位置在房间中间，形成轴对称羽流时，传热量如下：

b.当起始火源位置在紧靠墙处，形成墙羽流时，传热量如下：

式中：T_a为环境温度，单位是K；ε_v为烟气的有效发射率；A_v为开口面积(室内窗户即通风口的面积)，单位是m²,Q_c为对流热释放速率，为火源热释放速率的0.7；z为烟气层距离火源的高度，单位是m，C_p为定压比热容。

室内烟气的吸热速率：

式中：ρ_g为烟气密度，单位为kg/m³；V为房间体积，单位为m³。其中烟气密度的计算采用如下算式：

式中：ρ₀为空气密度，取值为1.2kg/m³；T_g为烟气温度，单位是K。

由以上得出室内火灾发生轰燃前烟气温度的模型为

其中，T_g为轰燃前烟气温度，t为时间，ρ₀为空气密度，C_p为定压比热容，V为房间体积，b为火灾发展系数，A_w为壁面面积，ε为内壁面总吸收系数，δ为玻尔兹曼常数，A_v为开口面积，m_g为烟气生成量，T_w为壁面温度，ε_v为烟气的有效发射率；T_a为环境温度。

2.通过得到的烟气温度随时间变化的曲线，预测轰燃时间：

目前，国际上普遍承认的室内火灾轰燃发生的定量条件是：顶棚烟气温度超过600℃。如图1所示，根据上述模型中不同模拟场景房间体积V的不同，不同可燃物条件下火灾发展系数b的不同，不同火源起始位置烟气生成量m_g的不同，通过MATLAB软件对上述模型进行求解，得到烟气温度在不同场景下随时间变化的曲线，再根据顶棚烟气温度达到600℃发生轰燃的条件，预测出不同室内场景、不同可燃物、不同起始火源位置三个条件下的轰燃时间。

3.建立不同灭火难度的燃烧组合：

如图2a～2c所示，为了使消防官兵的训练更加多样化和真实化，将火场的燃烧情况大致分为普通燃烧、轰燃、回燃三种情况，然后将这三种火灾情况任意组合，形成不同灭火难度的燃烧组合，例如简单难度下的燃烧为一级燃烧，一级燃烧状态下着火点处的火势大小处于普通燃烧状态，训练人员对其采取灭火措施；中等难度下的燃烧为二级燃烧即普通燃烧和轰燃的组合，轰燃现象的模拟通过火势大小和燃烧面积大小来实现对此特殊情况的模拟；最高难度下的燃烧为一级燃烧、轰燃、回燃的组合，当发生燃烧后进行灭火动作，一段时间后火焰熄灭，然后将已经熄灭的火重新燃烧，完成回燃现象的模拟，回燃发生一段时间后加入轰燃现象的模拟，以此来完成整个火灾模拟过程(以上着火点处均为气火燃烧)。

4.将预测得到的轰燃时间和不同灭火难度的燃烧组合应用到火场环境的设定中，灭火难度为易即一级燃烧时，对t₁时刻进行设定，t₁时刻起始着火点发生普通燃烧，供气管路上的电磁阀开启，电动调节阀开启，起始着火点处发生燃烧，也可根据需要使2个着火点同时燃烧，为普通燃烧；灭火难度为中时，对t₁时刻、t₂时刻进行设定，t₁时刻起始着火点处燃烧，t₂时刻根据模型预测得出的值进行设定，发生轰燃，全部着火点处供气管路上的电磁阀开启，电动调节阀开度全部开到最大，形成室内火灾的轰燃现象；灭火难度为难时，对t₁时刻、t₂时刻、t₃时刻、t₄时刻进行设定，t₁时刻起始着火点处燃烧，经过一段时间的灭火后，t₂时刻火焰变小直到熄灭，着火点处供气管路上的电磁阀和电动调节阀关闭，t₃时刻着火点发生回燃，电磁阀和电动调节阀再度开启，t₄时刻发生轰燃，t₄时刻的设定以t₃时刻为起始着火时间根据模型预测得出，达到模拟不同室内火灾情况的目的。如图3所示，当训练任务开始时，教官可以根据需要选择不同的场景和火场情况来进行训练，通过对各种燃烧状态发生的时间进行设定，模拟所需要的火灾发展过程。

Claims (5)

1.一种室内火灾模拟训练场景的智能模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

建立室内火灾轰燃前烟气温度模型；

根据烟气温度模型得到烟气温度随时间变化的曲线，预测轰燃时间；

建立不同灭火难度的燃烧组合；

将预测得到的轰燃时间和不同灭火难度的燃烧组合应用到火场环境。

2.根据权利要求1所述的一种室内火灾模拟训练场景的智能模拟方法，其特征在于所述烟气温度模型：

<mrow> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>g</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>g</mi> </msub> <mrow> <mn>293</mn> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mi>p</mi> </msub> <mi>V</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msup> <mi>bt</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>w</mi> </msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>v</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>v</mi> </msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>g</mi> <mn>4</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>g</mi> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>w</mi> </msub> <msubsup> <mi>&amp;epsiv;&amp;delta;T</mi> <mi>w</mi> <mn>4</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>v</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>v</mi> </msub> <msubsup> <mi>&amp;delta;T</mi> <mi>a</mi> <mn>4</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>g</mi> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>

其中，T_g为轰燃前烟气温度，t为时间，ρ₀为空气密度，C_p为定压比热容，V为房间体积，b为火灾发展系数，A_w为壁面面积，ε为内壁面总吸收系数，δ为玻尔兹曼常数，A_v为开口面积，m_g为烟气生成量，T_w为壁面温度，ε_v为烟气的有效发射率；T_a为环境温度。

3.根据权利要求1所述的一种室内火灾模拟训练场景的智能模拟方法，其特征在于所述根据烟气温度模型得到烟气温度随时间变化的曲线，预测轰燃时间包括以下步骤：

根据房间体积V、火灾发展系数b和烟气生成量m_g对烟气温度模型进行隐函数求解，得到每个房间的烟气温度与时间的关系曲线；

各曲线在烟气温度为600℃时对应的时间即为各房间的轰燃时间。

4.根据权利要求1所述的一种室内火灾模拟训练场景的智能模拟方法，其特征在于所述建立不同灭火难度的燃烧组合具体为：

一级燃烧：着火点处于燃烧状态；

二级燃烧：出现一级燃烧和轰燃；

三级燃烧：出现一级燃烧、轰燃和回燃。

5.根据权利要求1所述的一种室内火灾模拟训练场景的智能模拟方法，其特征在于所述将预测得到的轰燃时间和不同灭火难度的燃烧组合应用到火场环境包括以下步骤：

当用户设定某房间为一级燃烧时，控制该房间供气管路上的电磁阀和电动调节阀开启，起始着火点处发生燃烧；

当用户设定某房间为二级燃烧时，控制该房间起始着火点的电磁阀和电动调节阀开启，t₁时刻着火点处燃烧；该房间的轰燃时间t₂时刻全部着火点处供气管路上的电磁阀开启，电动调节阀开度全部开到最大，形成室内火灾的轰燃；

当用户设定某房间为三级燃烧时，控制该房间起始着火点的电磁阀和电动调节阀开启，t₁时刻起始着火点处燃烧，经过设定时间的灭火，t₂时刻火焰变小直到熄灭，着火点的电磁阀和电动调节阀关闭；t₃时刻该着火点电磁阀和电动调节阀再度开启，发生回燃；经过设定时间，t₄时刻全部着火点的电磁阀开启，电动调节阀开度全部开到最大，发生轰燃；t₄时刻为以t₃时刻为起始着火时间根据烟气温度模型得出的轰燃时间。