CN113398508B - 高可重复性的山火直升机灭火试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高可重复性的山火直升机灭火试验系统，该系统包括：火源模块、灭火模块和测量模块；火源模块包括至少由多个呈两列平行摆放的标准木垛组成的木垛阵列；灭火模块包括携带直升机灭火装置的直升机；测量模块包括分别布置在多个标准木垛间的用于测量火场不同位置及不同高度处的温度、辐射热和流场的多个热电偶组、多个辐射热量密度仪组和皮托管阵列；测量模块还包括数据中心，数据中心分别与多个热电偶组、多个辐射热量密度仪组和皮托管阵列相连并获取试验数据，试验数据为：火场不同位置及不同高度处的温度、辐射热和流场数据。本发明可以便捷地采集不同条件耦合时的燃烧场内的山火温度、热流密度和气流场数据，利于直升机灭火研究。
Description
技术领域
本发明涉及电网防山火技术领域，尤其涉及一种高可重复性的山火直升机灭火试验系统及方法。
背景技术
山火灾害是电网安全运行的重大危害。2017-2020年美国加州等地区每年发生大范围山火，上千万人口停电。中国年均山火高达7万多起。长南线等特高压线路多次因山火跳闸长时间停电。2013年春节，湖南电网一天就有18条220kV及以上线路山火跳闸。山火跳闸统计表明：山火在0.5至1.5小时内引发线路跳闸。2009年以来，研究单位开展了输电线路山火的跳闸机理、人为山火预测、卫星广域监测、地面高效灭火等方面研究，尤其是电网防灾减灾实验室发明了防复燃灭火剂和高扬程带电灭火平台，压力达12MPa，输水高度500m，对降低输电线路山火跳闸次数发挥了重要作用。
但输电线路山火点多面广，应急时限性要求极高，现有电网防山火体系存在以下问题：一是极轨卫星火点广域监测有延时，且极轨、同步卫星均受火场面积、云层遮挡等影响，存在漏报的可能；二是清明、春节等山火高发期乡村道路堵塞严重，地面灭火装备沿公路行驶时间长达数小时，赶到现场线路已跳闸；三是山火蔓延后，灭火人员存在伤亡风险，如2019、2020年四川凉山山火分别导致30、19名消防人员牺牲。
因此，直升机在电网作业的应用逐步增多，其应急距离达200km，不受交通、地形限制，人员不直接与火场接触，可保障灭火人员安全。因此，急需创建电网山火直升机灭火技术体系及装备。美国、加拿大等航空产业发达的国家使用米26、S-64等直升机用于大型森林火灾的扑救，近年我国也逐渐使用K32等中型直升机开展航空护林工作。但现有直升机灭火的是同一灭火策略，没有针对不同火场采取差异化方案，灭火效率还可以进一步提升。其原因在于没有可用于辨识影响直升机灭火效率关键因素的试验方法，也无法找到直升机灭火效率与关键因素的规律。
然而准确识别直升机灭火效率关键因素存在以下技术问题：
(1)没有准确表征真型输电线路山火强度的指标。
(2)直升机、吊桶、灭火水剂同时作用于山火现场，无法解耦识别这三者分别对火场的作用大小。
发明内容
本发明提供了一种高可重复性的山火直升机灭火试验系统及方法，用以解决目前缺乏可用于辨识影响直升机灭火效率关键因素试验方法的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种高可重复性的山火直升机灭火试验系统，包括：火源模块、灭火模块和测量模块；火源模块包括至少由多个呈两列平行摆放的标准木垛组成的木垛阵列；灭火模块包括携带直升机灭火装置的直升机；
测量模块包括分别布置在多个标准木垛间的用于测量火场不同位置及不同高度处的温度、辐射热和流场的多个热电偶组、多个辐射热量密度仪组和皮托管阵列；
测量模块还包括数据中心，数据中心分别与多个热电偶组、多个辐射热量密度仪组和皮托管阵列相连并获取试验数据，试验数据包括：火场不同位置及不同高度处的温度、辐射热和流场数据。
作为本发明的方法的进一步改进：
灭火模块，包括：第一直升机和第二直升机，第一直升机用于在灭火前飞过未点燃以及燃烧的木垛阵列；第二直升机用于对燃烧的木垛阵列进行灭火。
多个热电偶组分别与标准木垛对应设置，每个热电偶组包括沿高度方向均布的多个热电偶小组，每个热电偶小组包括沿水平方向均布的多个热电偶。
每个标准木垛外均设置有金属支架，金属支架包括热电偶支架，每个热电偶组均设置于对应的热电偶支架上。
多个辐射热量密度仪组均布于木垛阵列的列方向上，并位于木垛阵列的行间；每个辐射热量密度仪组包括至少两个辐射热量密度仪小组，每个辐射热量密度仪小组包括沿高度方向均布的多个辐射热量密度仪。
皮托管阵列均布于木垛阵列的两列间，皮托管阵列包括沿高度方向分布的多个皮托管组。
本发明还提供了一种采用高可重复性的山火直升机灭火试验系统的灭火试验方法，灭火试验方法，包括多个A组试验，多个A组试验的直升机灭火装置喷洒水量、火场尺寸S、灭火剂配方和灭火剂配比不同；每个A组试验包括多个B组试验，多个B组试验的直升机的飞行高度H和速度V不同；
每个B组试验，包括以下步骤：
第一直升机分别在点火前，以及点火后木垛阵列预燃到设置程度时分别按照飞行高度H和速度V飞过木垛阵列上方；数据中心获取第一直升机两次飞过时的试验数据；
数据中心还分别获取点火前、以及点火后木垛阵列预燃到设置程度时的试验数据；
第二直升机按照飞行高度H和速度V，一至多次飞过木垛阵列上方对燃烧的木垛阵列喷洒灭火水剂进行灭火，数据中心分别获取每次喷洒灭火水剂时、以及第二直升机飞离后木垛阵列后的试验数据。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的高可重复性的山火直升机灭火试验系统，通过该系统可以便捷地采集不同条件耦合时的燃烧场内的山火温度、热流密度和气流场数据，有利于解耦因直升机旋翼风、灭火剂喷洒在可燃物表面对火场产生的影响，从而准确判断灭火水剂的作用效能。
2、本发明的灭火试验方法，通过该方法开展相关试验，绘制出不同条件下输电线路山火强度指标随不同因素变化的特性曲线，定量直升机灭火参数对输电线路山火强度的影响规律，从而为输电线路山火直升机高效灭火研究提供支撑。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的高可重复性的山火直升机灭火试验系统的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的多个热电偶组、多个辐射热量密度仪组的垂直布置图。
图中各标号表示：
1、标准木垛；2、热电偶组；3、皮托管阵列；4、辐射热量密度仪组；5、金属支架；6、热流计支架；7、热电偶；8、热电偶支架；9、数据中心；10、点火装置；11、皮托管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1，本发明的一种高可重复性的山火直升机灭火试验系统，包括：火源模块、灭火模块和测量模块；火源模块包括至少由多个呈两列平行摆放的标准木垛1组成的木垛阵列；灭火模块包括携带直升机灭火装置的直升机；测量模块包括分别布置在多个标准木垛1间的用于测量火场不同位置及不同高度处的温度、辐射热和流场的多个热电偶组2、多个辐射热量密度仪组4和皮托管阵列3；测量模块还包括数据中心9，数据中心9分别与多个热电偶组2、多个辐射热量密度仪组4和皮托管阵列3相连并获取试验数据，试验数据包括：火场不同位置及不同高度处的温度、辐射热和流场数据。通过该系统可以便捷地采集不同条件耦合时的燃烧场内的山火温度、热流密度和气流场数据，有利于解耦因直升机旋翼风、灭火剂喷洒在可燃物表面对火场产生的影响，从而准确判断灭火水剂的作用效能。
本实施例中，火源模块的燃料采用国家标准《GB4351.1-2005手提灭火器-第一部分》规定的1A-6A尺寸木垛，确保火源的高可重复性；制作2N个木垛，将木垛按照2列平行摆放，每列摆放N个木垛(图1为10个支架，长度为12米；宽度方向为2个支架，宽度为2.4米)，可通过点火装置10点火。参见图1和图2，每个标准木垛1外均设置有金属支架5，多个热电偶组2分别与标准木垛1对应设置，每个热电偶组2包括沿高度方向均布的多个热电偶小组，每个热电偶小组包括沿水平方向均布的多个热电偶7。金属支架5包括或者部分可作为热电偶支架8，每个热电偶组2均设置于对应的热电偶支架8上。多个辐射热量密度仪组4均布于木垛阵列的列方向上，并位于木垛阵列的行间；每个辐射热量密度仪组4包括至少两个辐射热量密度仪小组，每个辐射热量密度仪小组包括通过热流计支架6沿高度方向均布固定的多个辐射热量密度仪。皮托管阵列3均布于木垛阵列的两列间，皮托管阵列3包括沿高度方向分布的多个皮托管组。热电偶7、辐射热量密度仪、皮托管阵列3，用于测量火场不同位置、不同高度处的温度、辐射热和流场，作为表征输电线路山火强度的指标。
本实施例中，灭火模块，包括：第一直升机和第二直升机，第一直升机用于在灭火前飞过未点燃以及燃烧的木垛阵列；第二直升机用于对燃烧的木垛阵列进行灭火。直升机均携带直升机灭火装置(机腹水箱、长射程水枪和吊桶三种类型)、灭火剂以及灭火剂添加装置。
本发明实施例还提供了一种采用高可重复性的山火直升机灭火试验系统的灭火试验方法，灭火试验方法，包括多个A组试验，多个A组试验的直升机灭火装置喷洒水量、火场尺寸S、灭火剂配方和灭火剂配比不同；每个A组试验包括多个B组试验，多个B组试验的直升机的飞行高度H和速度V不同；
每个B组试验，包括以下步骤：
第一直升机分别在点火前，以及点火后木垛阵列预燃到设置程度时分别按照飞行高度H和速度V飞过木垛阵列上方；数据中心9获取第一直升机两次飞过时的试验数据；
数据中心9还分别获取点火前、以及点火后木垛阵列预燃到设置程度时的试验数据；
第二直升机按照飞行高度H和速度V，一至多次飞过木垛阵列上方对燃烧的木垛阵列喷洒灭火水剂进行灭火，数据中心9分别获取每次喷洒灭火水剂时、以及第二直升机飞离后木垛阵列后的试验数据。
实施例1：
采用上述的高可重复性的山火直升机灭火试验系统进行灭火试验，本实施例的灭火试验方法，包括以下步骤：
(1)启动采集热电偶7、辐射热量密度仪、皮托管11分别测量温度、火场强度和火场流场；
(2)第一直升机携带灭火装置按照飞行高度H、速度为V，采集皮托管11数据，获得直升机产生的流场；
(3)在引燃盘内倒入深度为0.03m深度的清水，用量为14.7L清水，置于木垛的正下方；
(4)点火人员打火，点燃助燃汽油，并引燃柴堆，待柴堆烧至原始质量的50％，预燃大概5分钟；
(5)采集热电偶阵列、辐射热量密度仪阵列、皮托管阵列3分别测量温度、火场强度和火场流场，获得山火产生的温度、热流密度和气流场；
(6)第一直升机携带灭火装置按照飞行高度H、速度为V，采集热电偶阵列、辐射热量密度仪阵列、皮托管阵列3分别测量温度、火场强度和火场流场，获得直升机旋翼风对山火温度、热流密度和气流场分布的作用；
(7)第一直升机飞离火场距离8D后，直升机2从6D距离以外位置携带灭火装置按照飞行高度H、速度为V，喷洒灭火水剂，采集热电偶阵列、辐射热量密度仪阵列、皮托管阵列3分别测量温度、火场强度和火场流场，获得直升机旋翼风、灭火水剂耦合作用对山火温度、热流密度和气流场分布的影响；其中，D为直升机旋翼长度；
(8)记录第二直升机飞离火场距离8D时刻，采集该时刻后热电偶阵列、辐射热量密度仪阵列、皮托管阵列3分别测量温度、火场强度和火场流场，获得喷洒灭火水剂后对山火温度、热流密度和气流场分布的作用；
(9)数据记录人员实时观察柴堆质量变化，是否复燃。如若复燃，则重复步骤(7)-(8)喷洒灭火；如若不复燃，进入步骤(10)；
(10)改变直升机灭火装置飞行高度H、速度V，重复步骤(1)-(9)；
(11)分析采集的温度、辐射强度和流场速度与飞行高度H、速度V之间的关系；
(12)分别改变直升机灭火装置喷洒水量、火场尺寸S、灭火剂配方、灭火剂配比，重复步骤(1)-(11)。
上述一种高可重复性山火直升机灭火试验系统及方法，经实践证明可靠可行，完全达到准确识别灭火关键因素的需求，且操作简单。通过将该系统及方法获得的灭火规律结果用于电网山火的防治，在2019年-2020年期间，灭火效率提升30％以上，效果良好。
综上可知，本发明通过开展相关试验，便捷地采集不同条件耦合时的燃烧场内的山火温度、热流密度和气流场数据，有利于解耦因直升机旋翼风、灭火剂喷洒在可燃物表面对火场产生的影响，可绘制出不同条件下输电线路山火强度指标随不同因素变化的特性曲线，定量直升机灭火参数对输电线路山火强度的影响规律，从而准确判断灭火水剂的作用效能，从而为输电线路山火直升机高效灭火研究提供支撑。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种采用高可重复性的山火直升机灭火试验系统的灭火试验方法，其特征在于，
所述高可重复性的山火直升机灭火试验系统，包括：火源模块、灭火模块和测量模块；所述火源模块包括至少由多个呈两列平行摆放的标准木垛（1）组成的木垛阵列；所述灭火模块包括携带直升机灭火装置的直升机；包括：第一直升机和第二直升机，所述第一直升机用于在灭火前飞过未点燃以及燃烧的所述木垛阵列；所述第二直升机用于飞过木垛阵列上方并喷洒灭火水剂对燃烧的所述木垛阵列进行灭火；
所述测量模块包括分别布置在多个所述标准木垛（1）间的用于测量火场不同位置及不同高度处的温度、辐射热和流场的多个热电偶组（2）、多个辐射热量密度仪组（4）和皮托管阵列（3）；
所述测量模块还包括数据中心（9），所述数据中心（9）分别与所述多个热电偶组（2）、多个辐射热量密度仪组（4）和皮托管阵列（3）相连并获取试验数据，所述试验数据包括：火场不同位置及不同高度处的温度、辐射热和流场数据；
所述灭火试验方法，包括多个A组试验，所述多个A组试验的直升机灭火装置喷洒水量、火场尺寸S、灭火剂配方和灭火剂配比不同；每个A组试验包括多个B组试验，所述多个B组试验的直升机的飞行高度H和速度V不同；
每个B组试验，包括以下步骤：
第一直升机分别在点火前，以及点火后所述木垛阵列预燃到设置程度时分别按照飞行高度H和速度V飞过木垛阵列上方；所述数据中心（9）获取第一直升机两次飞过时的试验数据；
所述数据中心（9）还分别获取点火前、以及点火后所述木垛阵列预燃到设置程度时的试验数据；
第二直升机按照飞行高度H和速度V，一至多次飞过木垛阵列上方对燃烧的所述木垛阵列喷洒灭火水剂进行灭火，所述数据中心（9）分别获取每次喷洒灭火水剂时、以及第二直升机飞离后所述木垛阵列后的试验数据。
2.根据权利要求1所述的采用高可重复性的山火直升机灭火试验系统的灭火试验方法，其特征在于，所述多个热电偶组（2）分别与标准木垛（1）对应设置，每个热电偶组（2）包括沿高度方向均布的多个热电偶小组，每个热电偶小组包括沿水平方向均布的多个热电偶（7）。
3.根据权利要求2所述的采用高可重复性的山火直升机灭火试验系统的灭火试验方法，其特征在于，每个所述标准木垛（1）外均设置有金属支架（5），金属支架（5）包括热电偶支架（8），所述每个热电偶组（2）均设置于对应的热电偶支架（8）上。
4.根据权利要求1所述的采用高可重复性的山火直升机灭火试验系统的灭火试验方法，其特征在于，所述多个辐射热量密度仪组（4）均布于木垛阵列的列方向上，并位于所述木垛阵列的行间；每个所述辐射热量密度仪组（4）包括至少两个辐射热量密度仪小组，每个辐射热量密度仪小组包括沿高度方向均布的多个辐射热量密度仪。
5.根据权利要求1所述的采用高可重复性的山火直升机灭火试验系统的灭火试验方法，其特征在于，所述皮托管阵列（3）均布于所述木垛阵列的两列间，所述皮托管阵列（3）包括沿高度方向分布的多个皮托管组。
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