CN113350729B - 一种基于场模拟技术的气体火焰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于场模拟技术的气体火焰控制方法，首先，预先设计好单个出气单元样式；其次，确定出气单元列阵组合方式；再次，根据出气单元阵列组合方式，调整出气单元尺寸参数，利用场模拟技术分析气体列阵火焰与可燃物火焰的相似度，确定组合变量D/Q^2/5最佳数值；最后根据组合变量D/Q^2/5，设计出满足逼真性较高的燃气真火，用来替换传统消防训练的火源。本发明基于场模拟技术对气体火焰形态及温度分布进行了数值仿真，并与油料等其他火焰进行对比，给出了与油料等火焰相似度较高的燃气真火设计方法，提高了消防训练中燃气真火逼真性，改善了燃气真火训练系统真火效果，可以用于指导燃气真火训练装置的建设。

Description

一种基于场模拟技术的气体火焰控制方法

技术领域

本发明涉及消防训练领域，具体是一种基于场模拟技术的气体火焰控制方法。

背景技术

随着现代社会对环境保护认识不断提高，消防训练备受重视，但是人员对环 保的要求也与日俱增，利用柴油等油料作为消防火源的训练方式已经开始逐渐退 出历史舞台，丙烷、天然气等气体燃料取代传统油料已经成为一种趋势。

目前，燃气真火训练装置已经投入消防训练使用阶段，其广泛采用在供气管 路末段打孔方式供气，利用电磁阀调整供气管路内燃气速率、出气量等参数来调 整气体火焰的热释放速率，结合消防水与火焰相互作用效果来调节电磁阀参数， 达到消防训练的灭火效果。但训练人员普遍认为，燃气真火训练装置中末段管路 打孔供气方式，仅实现了真火燃烧，其火焰与油料等真实火焰差异较大，例如当 出气孔间距较大时，火焰会不连续，甚至部分区域无火焰，火焰呈现“树林”状； 而当气孔间距较小，可能会造成火焰高度偏低等情况。此外，气孔尺寸大小等参 数也对气体火焰形态、火焰温度有着直接影响。这些已经成为制约各种真火训练 装置发展的一个瓶颈。提高气体火焰与火灾真实火焰的形态相似性，是目前消防 训练领域亟待解决的主要问题。

燃气真火训练采用丙烷、天然气等清洁燃料燃烧作为消防训练火源，燃气真 火属于气相燃烧，传统油料燃烧属于液相燃烧，它们属于两种完全不同的燃烧过 程，实现两者形态关联难度较大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，基于场模拟仿真技术，提出了一种基 于场模拟技术的气体火焰控制方法，其基于场模拟技术对气体火焰形态及温度分 布进行了数值仿真，并与油料等其他火焰进行对比，给出了与油料等火焰相似度 较高的燃气真火设计方法，提高了消防训练中燃气真火逼真性，改善了燃气真火 训练系统真火效果，可以用于指导燃气真火训练装置的建设。

本发明采取的技术方案为：

一种基于场模拟技术的气体火焰控制方法，包括如下步骤：

步骤S101，设计单个出气单元为圆形或方形平面结构，平面上布设直径不 超过xmm的气孔，气孔中心间距不超过y cm，确保气孔喷出气体均匀布满整个 圆形或方形单元表面；

步骤S102，设置N种可燃物燃烧工况，每种工况对应M种出气单元的列阵 排列方式，列阵排列方式为m×n出气单元组合，由出气单元数目确定单个出气 单元的燃烧功率；同时针对每种列阵排列方式，通过调整出气单元尺寸进行仿真 初始工况的微调；

步骤S103，利用场模拟方法，仿真对比可燃物燃烧过程和列阵排列的气体 燃烧过程，获得气体火焰与可燃物火焰的相似度统计信息；

步骤S104，根据气体火焰与可燃物火焰相似度统计信息，得出组合变量 D/Q^2/5的最佳数值，其中D为相邻出气单元中心之间的间距，Q为出气单元的 燃烧功率；

步骤S105，根据设计目标要求，利用组合变量D/Q^2/5的最佳数值，设计并 验证燃气真火参数。

进一步的，步骤S102仿真出气口的参数确定过程包括：

S1021，设置N种可燃物燃烧工况，N≥3；

S1021，每种工况对应M种出气单元的列阵排列方式，M≥3；

S1023，设置出气单元的列阵方式(m×n)，m、n取值要兼顾出气单元数量 适中、单元尺寸适宜工程实现，具体根据可燃物的燃烧面积确定，通常8≥m(n) ≥2，单元尺寸32cm≥L≥1cm；

S1024，根据可燃物燃烧功率和出气单元数量，确定单个出气单元的火源功 率Q，即：

其中Q_z为可燃物燃烧功率。

进一步的，步骤S103利用场模拟方法，仿真对比可燃物燃烧过程和列阵排 列的气体燃烧过程，获得气体火焰与可燃物火焰的相似度统计信息，具体包括：

S1031，对比火焰高度以及不同垂直高度处火焰的水平跨度信息；

S1032，对比火焰中心垂直平面上的热释放速率分布信息；

S1033，对比火焰中心垂直平面上的温度分布信息；

S1034，对比火焰中心轴线上热释放速率随高度分布；

S1035，对比火焰中心轴线上热释放速率随高度分布；

S1036，获得气体火焰与可燃物火焰相似度。

本发明具有以下优点：

1、本发明提出了多个出气单元列阵组合的气体燃烧模式，解决了目前燃气 真火训练装置产生的气体火焰失真的问题；

2、本发明利用场模拟仿真方法，通过设计出气单元样式、调整出气单位阵 列布局、出气单元尺寸实现对气体火焰形态\温度控制，技术要求低，实现容易， 可设计出最佳的气体火方案；

3、现有真火训练装置气体管路末端往往采取管路打孔工艺制作方法，该工 艺施工周期较长、维修保养不方便；本方法中的出气单元一旦设计完毕，可批量 生产，现场只进行安装，大大缩短施工周期；且出气单元一旦损毁，可直接进行 单元模块更换，便于维护、保养。

附图说明

图1为本发明单个出气口设计示意图；

图2为本发明3×3阵列气体火模拟50×50cm油池火；

图3为本发明2×2气体阵列火模拟0.2×0.2m油池火；

图4为本发明3×3气体阵列火模拟0.2×0.2m油池火；

图5为本发明4×4气体阵列火模拟0.2×0.2m油池火；

图6为本发明2×2气体阵列火模拟0.5×0.5m油池火；

图7为本发明3×3气体阵列火模拟0.5×0.5m油池火；

图8为本发明4×4气体阵列火模拟0.5×0.5m油池火；

图9为本发明2×2气体阵列火模拟1.0×1.0m油池火；

图10为本发明3×3气体阵列火模拟1.0×1.0m油池火；

图11为本发明4×4气体阵列火模拟1.0×1.0m油池火；

图12为本发明阵列气体火与油池火的相关性分析；

图13为本发明4×4m油池火(左)和4×4丙烷阵列火(右)仿真结果对比。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明实施例提供一种基于场模拟技术的气体火焰控制方法，其利用燃气真 火模拟4×4m柴油油池火，具体包括以下步骤：

S101，设计单个出气单元为圆形或方形平面结构，平面上布设直径不超过x mm的气孔，气孔中心间距不超过y cm，确保气孔喷出气体均匀布满整个圆形或 方形单元表面，见图1；

单个出气口为基本设计单元，单个出气口形成的火焰形态直接决定着多个出 气口组合最终火焰形态。本实施例将单个出气口设置成截面为正方形，其表面布 满直径为4mm的气孔，孔之间横向、竖向间距为3cm；

102，设置N种可燃物燃烧工况，每种工况对应M种出气单元的列阵排列方 式，列阵排列方式为m×n出气单元组合，见图2，由出气单元数目确定单个出 气单元的燃烧功率；同时针对每种列阵排列方式，通过调整出气单元尺寸进行仿 真初始工况的微调；

以0.2×0.2m、0.5×0.5m、1.0×1.0m三种不同面积的柴油燃烧为模拟对象，其 对应的火源功率为40kw、520kw、3201kw；根据柴油面积，设置出气单元的列 阵方式为2×2、3×3、4×4，调整出气单元的边长范围为1-32cm，获得出气单元 火源功率Q，如表1所示。

表1气体火阵列火模拟仿真工况

S103，利用场模拟方法，仿真对比可燃物燃烧过程和列阵排列的气体燃烧过 程，获得气体火焰与可燃物火焰的相似度统计信息；

通过对3种面积下柴油燃烧和9种不同列阵方式的气体燃烧仿真发现，它们形成的火焰形态、火焰中心垂直平面上的热释放速率分布、火焰中心垂直平面上的温度分布、中心轴线上热释放速率随高度分布、中心轴线上温度随高度分布等信息如图3-图11所示。通过数据整理，两者火焰的相似度范围为0.789~0.989，见表2。

表2丙烷阵列火融合判据

S104，根据气体火焰与可燃物火焰相似度统计信息，得出组合变量D/Q^2/5的最佳数值，其中D为相邻出气单元中心之间的间距，Q为出气单元热释放速 率；

根据表2信息，绘制组合变量D/Q^2/5与火焰相似度关系曲线如图12所示， 图中可以发现，当D/Q^2/5大于0.045时，阵列气体火与油池火的相似性开始降 低；对于火焰温度，当D/Q^2/5大于0.055时，阵列气体火与油池火的相似性开 始降低。因此，可以认为，当D/Q^2/5小于某一数值时，阵列气体火的融合火源 与油池火的基本相似，大于该值后，相似度逐渐降低。本实施例出气单元最佳组 合变量D/Q^2/5应取数值0.045。

S105，根据设计目标要求，利用组合变量D/Q^2/5的最佳数值，设计并验证 燃气真火参数。

根据设计目标，柴油面积4×4m，其燃烧功率应为：

因火源尺寸较大，采用4×4气体单元阵列方式，假定气体燃烧效率为100％， 单个气体单元火源的功率为：

Q₁＝Q/16＝4473.2kW

根据组合变量D/Q^2/5＝0.045，气体单元中心间距D应不大于：

同时，对于4×4气体火单元列阵，其中心间距D与列阵单元边长L存在如 下关系：D＝(4-L)/3，因此气体火单元尺寸应不小于：

L＝4-3D＝4-3×1.298＝0.106m

从工程实践出发，选取气体火单元边长为0.25米，经验证发现，16m²气体 燃烧，火焰形态与温度相似度非常高，见图13，能够满足消防训练的火焰逼真 性要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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 利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于场模拟技术的气体火焰控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤S101，设计单个出气单元为圆形或方形平面结构，平面上布设直径不超过x mm的气孔，气孔中心间距不超过y cm，确保气孔喷出气体均匀布满整个圆形或方形单元表面；

步骤S102，设置N种可燃物燃烧工况，每种工况对应M种出气单元的列阵排列方式，列阵排列方式为m×n出气单元组合，由出气单元数目确定单个出气单元的燃烧功率；同时针对每种列阵排列方式，通过调整出气单元尺寸进行仿真初始工况的微调；

步骤S103，利用场模拟方法，仿真对比可燃物燃烧过程和列阵排列的气体燃烧过程，获得气体火焰与可燃物火焰的相似度统计信息；

步骤S104，根据气体火焰与可燃物火焰相似度统计信息，得出组合变量

的最佳数值，其中D为相邻出气单元中心之间的间距，Q为出气单元的燃烧功率；

步骤S105，根据设计目标要求，利用组合变量

的最佳数值，设计并验证燃气真火参数；

步骤S103利用场模拟方法，仿真对比可燃物燃烧过程和列阵排列的气体燃烧过程，获得气体火焰与可燃物火焰的相似度统计信息，具体包括：

S1031，对比火焰高度以及不同垂直高度处火焰的水平跨度信息；

S1032，对比火焰中心垂直平面上的热释放速率分布信息；

S1033，对比火焰中心垂直平面上的温度分布信息；

S1034，对比火焰中心轴线上热释放速率随高度分布；

S1035，对比火焰中心轴线上热释放速率随高度分布；

S1036，获得气体火焰与可燃物火焰相似度；

步骤S102仿真出气口的参数确定过程包括：

S1021，设置N种可燃物燃烧工况，N≥3；

S1021，每种工况对应M种出气单元的列阵排列方式，M≥3；

S1023，设置出气单元的列阵方式（m×n），m、n取值要兼顾出气单元数量适中、单元尺寸适宜工程实现，具体根据可燃物的燃烧面积确定，m、n取值在2-8之间，单元尺寸L取值在1cm-32cm之间；

S1024，根据可燃物燃烧功率和出气单元数量，确定单个出气单元的火源功率Q，即：

，其中Q _z 为可燃物燃烧功率。

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