CN115779326B - 一种用于火灾模拟训练系统的燃烧装置及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于火灾模拟训练系统的燃烧装置，包括：气体燃料系统和气体燃烧器，气体燃料系统为气体燃烧器提供燃料，气体燃料在气体燃烧器中被点燃，产生火焰，放出辐射热；气体燃烧器为大气式燃烧器，由燃烧器头部和引射器两部分组成，燃烧器头部包括燃烧区，引射器包括燃气进气口、空气进气口及吸气收缩管；燃气在一定压力下，以一定流速从喷嘴喷出，进入吸气收缩管，并靠本身的能量吸入空气，在吸气收缩管内燃气和空气混合，从头部喷出，经高压电火花点燃，点燃后形成火焰内锥；火焰内锥燃烧产物与剩余燃气混合后，再与周围空气混合进行燃烧，形成火焰外锥，还公开了对应模拟方法、电子设备及计算机可读存储介质。

Description

一种用于火灾模拟训练系统的燃烧装置及其模拟方法

技术领域

本发明属于安全科学与工程技术领域，尤其涉及一种用于火灾模拟训练系统的燃烧装置及其模拟方法。

背景技术

火灾是人们所不希望的一种在时空上失去控制的由燃烧造成的灾害，也是最常见的严重灾害之一。据不完全统计，全球每年发生的火灾就有600万～700万起，约70000人死于火灾。火灾模拟训练具有较强的训练综合性，通过训练可以提高消防员心理抗压素质，减少消防员在火灾扑救中的伤亡。但是，火灾模拟训练危险性也较强，火灾模拟训练的危险性主要表现在以下三个方面：

(1)火灾模拟训练本身具有风险性。火灾模拟训练要求训练场景尽可能复制真实的火场环境供消防员训练，这意味着真实火场环境中存在的潜在危险在火灾模拟训练系统中仍可能存在。此外，火灾模拟训练通常属于基础训练的最后环节，作为维持或改进已掌握灭火技能的有效方法，或是为了验证或演练新的灭火技战术方法和措施，其训练内容综合性强，对组训部门和教员有较高的要求，任何疏忽或失误都有可能带来危险。

(2)火灾模拟训练系统具有危险性。国外火灾模拟训练常用的火灾模拟训练系统是简易火灾模拟训练系统和专用火灾模拟训练系统。训练中心建造的专用火灾模拟训练系统其建设的目的就是用来多次重复开展火灾模拟训练，在设计时充分考虑到了火灾模拟训练的建设需要，对建筑构件都进行了相关的耐火处理，并在建筑内安装设置了相关安全防护设施，训练安全的可信度较高。而简易火灾模拟训练系统在设计之初不是用于开展火灾模拟训练，而且简易火灾模拟训练系统多为废弃建筑，年久失修，尽管在训练开始之前对其进行了修补，但这仅仅是修补了一些明显的缺陷，其建筑构件的耐火强度和构造强度较差。此外，尽管专用火灾模拟训练系统的训练安全可信度较高，但是随着训练的不断开展，对其损耗逐渐增大，其危险性也就逐渐增高，如若维护保养工作不到位或欠缺，也存在较大的危险性。

(3)训练的组织计划要求高。许多细节上的疏忽就可能导致发生训练伤亡事故，如训练计划不够合理、科学，实施方案与训练环境的结合度不够密切，训练场景的设置超出训练计划和实施方案的预期，紧急应对措施不完善、响应不及时；教员资质不够或玩忽职守，学员参训意识不强或没有完成基础训练就参加训练；训练组织不够严密，对训练建筑检查不到位，没有发现训练建筑的固有危险；参训人员安全意识不高，不严格遵守法律法规、规章制度和安全规则等。从火灾模拟训练的设计到实施期间任何疏忽、失误都可能给参训人员带来危险。

燃烧装置作为火灾模拟训练系统的核心装置，对于其的改进研发对于整个火灾模拟训练具有重要的作用，其决定了火灾模拟训练系统是否能为消防员提供一个真实、安全的训练环境。曹永强从控制系统原理，点火和火焰监测系统构成，燃烧器结构，燃料系统供给，燃烧道具参数等五个方面介绍了以燃气为燃料的消防用灭火训练燃烧装置。任凯以Netlogo系统动力学仿真模拟框架为基础，结合实际灭火数据和计算机仿真模拟，构建火焰控制的数值仿真实验平台，模拟消防员在开展灭火救援过程中，不同灭火救援姿态下模拟火焰的变化控制过程，为新型消防灭火训练装置的开发提供了思路。任凯系统研究了改进后的对抗式系统动力学特性模型，总结了连续时间区间内模拟灭火交互模型序列构成的基本形式，分析了交互过程下参数控制特性及其功能、物理意义，完整描述了灭火过程的简化模拟方法，最终得出了灭火过程交互模型实际应用的方法和步骤。陆守祥研究了热烟发生装置，燃烧室内放置装置所需燃料，引火装置可自动将燃料点燃，助燃风机提供所需空气，空气量可根据燃烧室内温度变化自动调整，由集烟罩收集产生的浓烟，管道连接高温引风机设置于集烟罩出口处，产生的浓烟由管道输送至燃烧室。杨波参考国外发达国家的灭火训练系统，并结合我国消防指战员的训练需求，设计开发了模拟火灾消防训练装置。文章介绍了该装置燃烧床的机械结构，燃气配气供给，燃气配气控制基本原理和灭火效能判断等内容。通过设定火焰高度、火焰上升速度以及灭火难度，模拟不同类型的火灾现场，通过火灾模拟训练检验消防员处置各类火灾的能力。张金龙按照机场救援与消防系统的组成结构和整体功能要求，在PRO/E平台上建立了AFTS的详细三维设计模型，对AFTS舱内火灾和舱外燃油泄漏火灾进行了火-热耦合数值模拟，总结出火-热-结构耦合的分析流程，分析评估了AFTS舱外燃油泄漏火灾的结构安全性。阳晓剑研究了由火灾训练现场、自动控制中心、天然气供应点和训练指挥官等四大模块组成的天然气真火真烟训练系统，系统各模块之间通过PLC或者DCS方式进行联动，实现了手动和自动交互式运行模式。夏璐璐通过PyroSim软件构建船舶舱室火灾模型，分析研究船舶舱室火灾时的燃烧蔓延特点，获取了火灾发生发展过程中的关键性参数，利用温度、热释放速率等模拟数据建立了基于BP神经网络的船舶舱室火灾蔓延实时模型，验证了模型在不同输入条件下的可靠性。在Ho lmgren从建造理想的消防训练中心的角度，阐述了实际训练需求对训练装置进行设计，并重点强调了在设计时最容易被忽视的因素就是装置设施在将来的扩展性，以满足将来对于训练设施的可持续使用。

然而，以上设计的燃烧装置无法作为火灾模拟训练系统的一部分为消防员提供一个真实、安全的训练环境。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于火灾模拟训练系统的燃烧装置及其模拟方法，确定燃烧装置的形式和关键参数进行研究，并通过试验分析了利用LPG为燃料的气体燃烧装置模拟柴油罐火灾，对燃烧装置的布置方法、喷嘴直径、喷射方式等因素对火焰高度和宽度以及热辐射、温度的影响进行了研究，最后通过数值模拟对比分析全尺寸和小尺寸的热性能参数。

本发明提供一种用于火灾模拟训练系统的燃烧装置模拟方法，用于火灾模拟训练系统的燃烧装置，包括：气体燃料系统和气体燃烧器，气体燃料系统为气体燃烧器提供燃料，气体燃料在气体燃烧器中被点燃，产生火焰，放出辐射热；所述气体燃烧器为大气式燃烧器，所述大气式燃烧器由燃烧器头部和引射器两部分组成，燃烧器头部包括燃烧区(4)，引射器包括燃气进气口(1)、空气进气口(2)以及吸气收缩管(3)，其中燃气进气口(1)插入空气进气口(2)内，空气进气口(2)连接吸气收缩管(3)，收缩管(3)连接燃烧区(4)；燃气在一定压力下，以一定流速从喷嘴喷出，进入吸气收缩管(3)，并靠本身的能量吸入空气，在吸气收缩管(3)内燃气和空气混合，从头部喷出，经高压电火花点燃，点燃后形成火焰内锥；火焰内锥燃烧产物与剩余燃气混合后，再与周围空气混合进行燃烧，形成火焰外锥；

模拟方法包括：

S1，基于燃烧装置的试验模拟；以及

S2，基于燃烧装置的数值模拟；

所述燃烧装置的试验模拟基于燃烧装置试验研究，通过试验方法，利用气体燃烧装置，并使用LPG作为燃料模拟油罐火灾；使用LPG池火来模拟油罐火灾，利用LPG喷射火模拟火灾现场，利用LPG模拟油品池火。

优选的，所述S1包括：

S11,试验原理分析

通过分析和模拟热释放速率和温度使油品与LPG的燃烧特性一致，其中：

(1)燃烧模拟热释放速率公式推导

热释放速率的计算公式为：

Q＝φ×m×ΔH (37)

其中Q为热释放速率，单位W；φ为燃烧效率因子，主要反应燃烧不完全的程度；m为可燃物的质量燃烧速率，单位kg/s；ΔH为该可燃物的热值，单位J；

假设油品和LPG热释放速率相同，则Q_油＝Q_LPG，则可以得到式38：

φ_油H_油m″_油＝φ_LPGH_LPGm″_LPG (38)

φ_油为模拟油品的燃烧效率因子，H_油为模拟油品的热值，m″_油为油品燃烧速率(kg/s)，φ_LPG为模拟油品的燃烧效率因子，H_LPG为LPG的热值，m″_LPG为LPG的燃烧速度(kg/s)；当燃烧条件确定时，燃烧条件包括油品种类、燃烧速率、温度和风速，H_油、m″_油、H_LPG均为确定值，所以通过调整m″_LPG就可以使得模拟油品和LPG燃烧时的热释放速率大致相同，m″_LPG即为燃烧装置LPG的供给强度；

(2)燃烧模拟热辐射公式推导

池火周围地面某一距离处的热辐射强度通过下式计算：

q＝SEP·F_view·τ_α (39)

q为距离池火中心x(m)处的热辐射强度，单位是W/m²，SEP为火焰表面热辐射能量，单位是W/m²，F_view为视角系数，τ_α为大气热传递系数；

其中，火焰表面热辐射能量通过下式计算：

SEP＝(1-ε)×SEP_max+ε×SEP_soot (40)

SEP_soot为油烟表面辐射能量，约为20×10³W/m²，ε为火焰表面被油烟覆盖的比率，SEP_max为火焰最大表面辐射能量，火焰最大表面辐射能量通过下式计算：

SEP_max＝F_sm″H_c/(1+4L/D) (41)

F_s为火焰表面被油烟覆盖的热量比率，m″为燃烧速率，H_c为油品的燃烧热，单位是J/kg，L为火焰高度，D为池火直径；

视角系数计算方法：

/>

F_v为目标在垂直方向的几何视角系数，F_h为目标在水平方向上的几何视角系数；F_v、F_h的计算方法如下：

式43中a_v的计算可通过式45获得；

a_v＝l/(D/2) (45)

当目标在火焰阴影之外，即X≥D/2+Lsinθ时，l＝L；当目标在火焰阴影之内，即D/2＜X＜D/2+Lsinθ时，l＝(X-D/2)/sinθ；其中，X为火焰中心线和地面目标之间的水平距离；

式43中b_v，A_v，B_v，C_v，G_v，E_v，H_v，可通过下列运算公式获得，且b_v，A_v，B_v，C_v，G_v，E_v，H_v均为中间变量；

b_v＝X/(D/2) (46)

E_v＝a_v cosθ/(b_v-a_v sinθ) (51)

式46中，a_h，b_h，A_h，B_h，C_h，G_h，E_h，H_h均为中间变量；在计算火焰下风向X距离处的视角因素时，θ取正值，反之，若是上风向，θ取负值；

a_h＝2L/D (52)

b_h＝-2X/D (53)

E_h＝a_h cosθ/(b_h-a_h sinθ) (58)

大气传递系数可通过Bagster给出的估算公式进行计算；

τ_a＝2.02(p_wX₀)^-0.09 (60)

p_w为环境温度下大气中的水蒸气压，X₀为目标至火焰表面的距离，可通过下式计算：

X₀＝X-D/2 (61)；

S12，计算试验装置关键参数

(1)确定罐体几何形状

罐体直径为1.15m，高为1m；在底部设计安装了带有刹车的万向滑轮；罐体材料为普通钢板，厚度为3mm，总重量约为150kg，在罐体底部设有排水阀，方便灌水以及排水；

(2)设定油品的种类

设定要模拟的油品种类为柴油；

(3)计算LPG的流量

首先计算在此面积下的油品燃烧线速度，燃烧线速度利用下公式进行计算：

m″＝m″_∞(1-e^-kbD) (4-71)

其中m″为油品燃烧速度，单位是kg/m²·s，m″_∞为无限大油盘燃烧速度，D为油盘的直径，kb为常数，柴油的m″_∞为0.045kg/m²·s，kb为2.4，m″＝0.0271kg/m²·s，所以在此面积下柴油的燃烧速度为0.03kg/s；

热释放速率的计算公式：

HRRPUA＝m″H_c (62)

其中H_c为燃料的净燃烧热，柴油的燃烧热为33000kJ/kg，得到热释放速率HRRPUA＝1247.4KW/m²；

保证油品以及LPG的热释放速率相同，由于LPG的燃烧热为45980kJ/kg，那么LPG的燃烧速率m″＝0.0271kg/m²·s；在此面积下LPG燃烧速度为0.0271kg/m²·s；LPG的密度2.35kg/m³，LPG的流量V＝2.8L/min＝46m³/h；

(4)估算管道直径

利用介质流速来确定管径，可利用经验公式进行计算，其数学表达式为：

d＝18.81V^0.5u^-0.5 (63)

d为内径，单位是mm，V为管内介质体积流量，单位是m³/h，u为平均流速，单位是；气态液化石油气在管道中的流速不宜大于12m/s，在这里可以按照12m/s计算；将上面的数据代入公式，得出d＝34.2mm，估算的管道内径为34.2mm，按照钢管规格标准应选择DN35的无缝钢管；

(5)设计喷嘴

共设计18个可变径的喷嘴，其内径分别是5.5mm、7.5mm、10.5mm；

(6)估算管道长度

估算管道长度用于防止热辐射破坏装置，计算满开情况下热辐射强度，估算主管道长度，根据对热辐射的分析，利用Matlab进行计算，至少设计4.5m长的管道，以保证玻璃或塑料仪表的正常使用，以及液化气罐的安全；

(7)计算管道壁厚

承受内压的管子壁厚计算应符合下列规定：当计算壁厚t_s小于管子外径D₀的1/6时，管子的计算厚度不应小于式(64)计算的值：

t_s为管道厚度，p为设计压力(MPa)，为1.4MPa，D₀是管道外径(mm)，[σ]¹是在设计温度下材料的许用应力(MPa)，普通钢材在20℃时为113MPa，在450℃时为61MPa，E_j是焊接头系数，一般电焊取0.85，Y为系数；

Y系数应符合下列规定：当t_s＜D₀/6，按经验选取；当t_s≥D₀/6，按公式(65)计算：

D₀为管道外径(mm)，D_i为管道内径(mm)；考虑到试验的安全性，管道的厚度按式66计算：

t_sd＝t_s+C (66)

t_sd是直管设计厚度(mm)；C是厚度附加量之和(mm)；

C＝C₁+C₂ (67)

C₁为厚度减薄附加量，保护加工、开槽和螺纹深度及材料厚度负偏差(mm)，C₂为腐蚀或腐蚀附加量(mm)；

选择3mm厚的无缝钢管；

S13，实施试验方法

(1)火焰特征影响因素分析试验

第一步，安装装置，检查气密性；将液化气钢瓶(1”)，流量计(4”)，压力表(3”)依次组装，利用液氮进行1.5倍工作压力下气密性的检验，调节环形喷嘴(7”)的高度，调节环形喷嘴(7”)的个数及间距，向罐体(6”)内注水，调节罐体(6”)内水面高度；放置标杆(8”)，用于衡量火焰高度及宽度的大小；

第二步，用摄像机架将摄像机和照相机定点搭好，照相机确保与标杆(8”)和罐体(6”)中心的距离相同；

第三步打开液化气钢瓶(1”)，迅速利用点火枪进行点火，点火后开始调节球阀(2”)，使流量在45—47m³/h的范围内，如果在30s内没有点燃，则立即关闭液化气钢瓶的阀门，通风5min后再重复此步骤；

第四步待火焰稳定后开始拍摄；

第五步改变指标参数重复进行第二步到第四步；

(2)燃料热辐射差异性对比试验

第一步，安装试验装置，检验气密性；

第二步，安装数据采集器(13”)、计算机(12”)、热电偶(10”)和辐射热流计(9”)；

第三步，通过数据传输线(11”)将热电偶(10”)以及辐射热流计(9”)连接到数据采集器(13”)上；

第四步，打开计算机(12”)和数据采集器(13”)，确保热电偶(10”)以及各个探头的数据信息正常；

第五步，向罐体(6)内注水，调节好环形喷嘴(7”)的高度、喷嘴个数及喷嘴距水面高度；

第六步，打开液化气钢瓶(1”)，迅速利用点火枪进行点火，点火后开始调节球阀(2”)，使流量在45-47m³/h的范围内，如果在30s内没有点燃，则立即关闭液化气钢瓶的阀门，通风5min后再重复此步骤；

第七步，等待火焰燃烧相对平稳时，开始记录数据，1min后停止记录；

第八步，向罐体(6)水面注入5-10mm厚的柴油，以及少量的汽油，用点火枪点燃；

第九步，等待1-2min火焰燃烧相对平稳时，开始记录数据，1min后停止记录；

第十步，重复上述步骤。

优选的，所述S2，基于燃烧装置的数值模拟包括构建两种模型，分别为：

(1)构建小尺寸模型

小尺寸模拟是模拟试验装置大小的油罐以及LPG模拟训练装置的燃烧情况，模拟在室外的环境，湍流模型使用K-e标准湍流模型，其中K-e标准湍流模型用于计算流体流动，是工程中常用的模型；燃烧模型使用非预混燃烧模型，辐射模型选用P1模型，P1模型用于计算辐射传热，在此燃烧模型的基础上加入DPM模型，用于处理燃料消耗率，模拟燃料的喷射；

(2)全尺寸模型构建

对类似实际大小的油罐及LPG模拟训练装置进行模拟。

本发明的第二方面提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如第一方面所述的方法。

本发明的第三方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如第一方面所述的方法。

本发明提供的方法、装置、电子设备以及计算机可读存储介质，具有如下有益的技术效果：

(1)通过以LPG为燃料的气体燃烧装置进行了试验研究，获得气体燃烧装置模拟油罐火灾的合理参数，喷嘴直径为5-12mm，喷嘴距水面高度向上喷射时为200mm，向下喷射时50-100mm，喷嘴距罐顶高度400mm，流量为F＝0.031W，W为油品燃烧的热释放速率，喷嘴个数为4个/m2，喷嘴间距为不大于0.5m；

(2)通过计算机数值模拟分析，对比了柴油和LPG燃烧的温度场以及热辐射，确定LPG为燃烧的气体燃烧装置模拟柴油罐火的热辐射强度以及火焰温度基本相似，验证了主要设计参数的合理性。

附图说明

图1为根据本发明优选实施例示出的大气式燃烧器工作原理示意图；

图2为根据本发明优选实施例示出的气体燃烧装置结构示意图；

图3为根据本发明优选实施例示出的模拟试验装置结构图；

图4为本发明提供的电子设备一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

一种用于火灾模拟训练系统的燃烧装置，包括：

气体燃烧系统包括气体燃料系统和气体燃烧器。气体燃料系统为气体燃烧器提供燃料，气体燃料在气体燃烧器中被点燃，产生火焰，放出辐射热。

(1)气体燃烧器原理

常见的气体燃烧器主要有两类，即扩散式燃烧器和预混式燃烧器。两种燃烧器燃烧效率，燃烧负荷以及燃烧火焰的高度、直径均不相同，其原理及特点见表1。

表1两种气体燃烧器工作原理及特点

由表1可知，扩散式燃烧器自身引射空气能力较弱，为了增强燃烧效率，通常与强制鼓风机配合使用，但其工作时需要的助燃空气较多，产生的火焰与实际燃烧情况差别较大。预混式燃烧器燃烧时无火焰产生，不符合实际燃烧情况。为了更好的模拟火灾时的火焰，本实施例提供出大气式燃烧器，工作原理如图1所示。

大气式燃烧器主要由燃烧器头部和引射器两部分组成，燃烧器头部包括燃烧区(4)，引射器包括燃气进气口(1)、空气进气口(2)以及吸气收缩管(3)，其中燃气进气口(1)插入空气进气口(2)内，空气进气口(2)连接吸气收缩管(3)，收缩管(3)连接燃烧区(4)。

燃气在一定压力下，以一定流速从喷嘴喷出，进入吸气收缩管(3)，并靠本身的能量吸入空气。在吸气收缩管(3)内燃气和空气混合，从头部喷出，经高压电火花点燃，点燃后形成火焰内锥；火焰内锥燃烧产物与剩余燃气混合后，再与周围空气混合进行燃烧，形成火焰外锥；大气式燃烧器的主要特点是火焰能够遇风飘动，燃烧效率高。

(2)燃烧器头部结构计算

大气式燃烧器头部最重要的结构是火孔，包括小孔尺寸、火孔的燃烧能力及火孔总面积等。火孔的燃烧能力是指火孔能稳定和完全燃烧的燃气量，常用火孔热强度q_f的数学表达式为：

其中H为燃气低热值，kJ/m³；α为一次空气系数；V₀为理论空气需要量，m³；v_f为火孔出口流速，m³/s；火孔出流速度v_f需要根据脱火和回火限定情况确定，在火孔出口流速v_f确定后，就可以得到火孔总面积：

其中Q为燃烧器热负荷，kW。火孔热强度可以根据已有的数据参考选择，大气式燃烧器设计参数如表2所示。

表2大气式燃烧器设计参数

为达到选定的火孔热强度，通过引射器使得燃烧器头部保持一定的静压力，从而保证火孔出口流速，用以克服燃气混合物从头部流出时的能量损失。该能量损失主要包括火孔流动阻力损失，混合物被加热产生的气流加速度能量损失和火孔出口动压力损失等三部分。

流动阻力损失ΔP₁的数学表达式为：

式中ΔP₁为流动阻力损失，Pa；V_p为额定火孔出口流速，m³/s；ρ_mix为燃气混合物密度，kg/m³；ε_p为火孔阻力系数。

混合物被加热产生的气流加速度能量损失ΔP₂的数学表达式为：

式中t为燃气和气体通过火孔被加热的温度，℃。

火孔出口动压力损失ΔP₃的数学表达式为：

燃烧器头部需要的静压力h为三者的和，数学表达式为：

式中K₁为燃烧器头部的能量损失系数，通过三部分能量损失之和推导可知：

(3)引射器结构计算

引射器的主要功能是保证大气式燃烧器能够稳定燃烧，按照气体的供给压力可以分为低压和高压两种，按照吸入速度可分为常压和负压吸气两类。引射器内发生的能量交换较多，本实施例通过连续性方程、动量方程以及能量方程进行研究。在引射器的注入面和出界面建立动量方程，数学表达式为：

q_m,gv₁+q_m,aΨ₀v₂-q_m,mixΨ₁v₃＝F_t(h+h_mix-h₂) (8)

式中q_m,g为燃气质量流量，kg/s；q_m,a为空气质量流量，kg/s；q_m,mix为混合气体质量流量，kg/s；v₁为喷嘴出口处燃气速度，m/s；v₃为引射器喉部平均速度m/s；h为引射器出口静压力，Pa；h₂为扩压管恢复的静压力，Pa；h_mix为混合管中摩擦阻力损失，Pa；Ψ₀、Ψ₁为速度场不均匀系数；F_t为引射器喉部截面积，m²。

速度场不均匀系数Ψ的数学表达式为：

式中，

为截面平均速度，m/s；A为截面面积，m²。从式9可以看出，速度场的分布状况决定了Ψ的大小，出口处的速度场分布为矩形，则Ψ＝1，故公式8中v₁＝Ψv₁；而中间和入口处的速度场分布不均匀，需要保留Ψ。

这里假设气体为均匀气体，忽略混合气体的压缩性，则气体的流体的连续性方程为：

q_m,g＝L_gρ_g＝v₁F_jρ_g (10)

q_m,a＝L_aρ_a＝v₂F_aρ_a (11)

q_m,mix＝L_mixρ_mix＝v₃F_tρ_mix (12)

q_m,mix＝q_m,a+q_m,g＝q_m,g(1+u) (13)

L_mix＝L_a+L_g＝L_g(1+us) (14)

式中L_a为空气体积流量，m³/s；L_g为燃气的体积流量，m³/s；L_mix为混合气体的体积流量，m³/s。ρ_a为空气的密度，kg/m³；ρ_g为燃气的密度，kg/m³；ρ_mix为混合气体密度，kg/m³。F_j为喷嘴出口截面积，m²；F_a为空气入口截面积，m²；s为燃气相对密度；u为质量引射系数，用于表征引射器性能的关键参数，数学表达式为：

将公式10～15代入到公式8中，化简后得：

式中F为无因此面积。无因此面积F是计算引射器的基本参数，表达式为：

混合管中摩擦阻力损失h_mix的数学表达式为：

式中为ε_mix为摩擦阻力系数。

对于喷嘴和扩压管，根据能量方程建立关系式如下：

式中H为喷嘴前燃气相对压力，Pa；μ为喷嘴流量系数；ε_d为扩压管摩擦阻力系数；n为扩压管扩展程度，数学表达式为：

式中F_d为扩压管出口截面积，m²。公式19减21，整理可得：

公式23和20代入17整理可得：

式中K为引射器的能量损失系数，数学表达式为：

公式24和25为引射器的特征方程。

公式24中右边第二项，表征为被引射空气的动量，相对于燃气的速度，空气的初速度很小，可以认为进气截面处空气的动量为零，公式24可简化为：

在质量引射系数μ为定值的情况下，为使得h/H值最大，需要有最佳的无因次面积F_op，将公式26求导可得最佳无因次面积F_op：

F_op＝K(1+u)(1+us) (27)

式中K为能量损失系数，通过试验反复测试，K＝1.5时，燃烧器的燃烧较好。

(5)燃烧器结构计算

通过燃烧器头部和引射器的相关公式可计算燃烧器的相关参数。由连续线性方程可知，混合气体在火孔出口的速度v_p为：

/>

公式6是由火孔出口速度v_p确定的燃烧器头部所需的静压力，由于引射器和燃烧器头部是一体的，假如忽略引射器出口混合气体的动压头，则认为引射器出口压力与头部所需的静压力相等。

这样，将式28、6、15、20和10，化简可得：

式中，F₁为燃烧器无因次参数，数学表达式为：

将公式29和26联立可得：

将燃烧器的最佳结构表达式27代入31中，可得到燃烧器的最佳无因次参数F_1op的数学表达式为：

将32和27代入31中，同时令

化简后可得：

AX²-2X+A＝0 (35)

解方程后得：

由公式36可知，如果A＝1，则X＝1，那么F₁＝F_1op，说明燃烧器计算工况和最佳工况一致；如果A>1，则X无实数解，说明引射器无法提供足够的压力；如果A<1，则引射器可以提供足够的压力，那么可采用摩擦阻力较大的引射器结构。

(6)气体燃料系统组装

气体燃料系统包括顺次连接的储气瓶(1’)，气瓶阀(2’)，调压器(3’)，球阀(4’)和电磁阀系统，所述电磁阀系统包括总电磁阀(5’)、大火电磁阀(6’)和小火电磁阀(7’)，其中所述大火电磁阀(6’)和小火电磁阀(7’)并联，所述总电磁阀(5’)和大火电磁阀(6’)串联，所述电磁阀系统与所述大气式燃烧器(8’)连接。气体燃烧器的组装如下图2所示。经过试验反复调试可得出气体燃料系统的工作参数为：调压器输入压力1.6MPa，输出压力0.1MPa，输出最大流量为2m³/h；电磁阀最大工作压力0.1MPa，最大使用角度为60°。

实施例二

一种用于火灾模拟训练系统的燃烧装置模拟方法，包括：

S1，基于燃烧装置的试验模拟；以及

S2，基于燃烧装置的数值模拟。

其中，燃烧装置的试验模拟基于燃烧装置试验研究，通过试验方法，利用气体燃烧装置，并使用LPG作为燃料模拟油罐火灾。LPG的燃烧形式主要是池火和喷射火，如果利用LPG池火模拟油罐火灾，安全性和可控性无法保证，所以不考虑使用LPG池火来模拟油罐火灾。本实施例主要利用LPG喷射火模拟火灾现场，油罐火灾燃烧基本形式为池火，所以试验的重点放在利用LPG模拟油品池火上。

作为优选的实施方式，所述S1包括：

S11,试验原理分析

在火灾模拟训练中比较关心的参数一般包括热释放速率和温度等。本实施例通过分析和模拟上述参数，使油品与LPG的燃烧特性一致。

(1)燃烧模拟热释放速率公式推导

热释放速率的计算公式为：

Q＝φ×m×ΔH (37)

其中Q为热释放速率，单位W；φ为燃烧效率因子，主要反应燃烧不完全的程度；m为可燃物的质量燃烧速率，单位kg/s；ΔH为该可燃物的热值，单位J。

假设油品和LPG热释放速率相同，则Q_油＝Q_LPG，则可以得到式38：

φ_油H_油m”_油＝φ_LPGH_LPGm″_LPG (38)

φ_油为模拟油品的燃烧效率因子，H_油为模拟油品的热值，m”_油为油品燃烧速率(kg/s)，φ_LPG为模拟油品的燃烧效率因子，H_LPG为LPG的热值，m″_LPG为LPG的燃烧速度(kg/s)。当燃烧条件确定时(油品种类、燃烧速率、温度、风速等)，H_油、m”_油、H_LPG均为确定值，所以通过调整m″_LPG就可以使得模拟油品和LPG燃烧时的热释放速率大致相同，m″_LPG即为燃烧装置LPG的供给强度。

(2)燃烧模拟热辐射公式推导

热辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式，是因热的原因而发出辐射能的现象，辐射是火灾现场最主要的传热方式之一。池火周围地面某一距离处的热辐射强度可通过下式计算：

q＝SEP·F_view·τ_α (39)

q为距离池火中心x(m)处的热辐射强度，单位是W/m²，SEP为火焰表面热辐射能量，单位是W/m²，F_view为视角系数，τ_α为大气热传递系数。

其中，火焰表面热辐射能量可以通过下式计算：

SEP＝(1-ε)×SEP_max+ε×SEP_soot (40)

SEP_soot为油烟表面辐射能量，约为20×10³W/m²，ε为火焰表面被油烟覆盖的比率，SEP_max为火焰最大表面辐射能量，火焰最大表面辐射能量可以通过下式计算：

SEP_max＝F_sm”H_c/(1+4L/D) (41)

F_s为火焰表面被油烟覆盖的热量比率，m”为燃烧速率，H_c为油品的燃烧热，单位是J/kg，L为火焰高度，D为池火直径。

热辐射计算中关于视角系数F_view的计算较为复杂，Mudan推导出了一套视角系数计算方法：

F_v为目标(人或物)在垂直方向的几何视角系数，F_h为目标在水平方向上的几何视角系数。F_v、F_h的计算方法如下：

式43中a_v的计算可通过式45获得。

a_v＝l/(D/2) (45)

当目标在火焰阴影之外，即X≥D/2+Lsinθ时，l＝L；当目标在火焰阴影之内，即D/2＜X＜D/2+Lsinθ时，l＝(X-D/2)/sinθ。其中，X为火焰中心线和地面目标之间的水平距离。

式43中b_v，A_v，B_v，C_v，G_v，E_v，H_v，可通过下列运算公式获得，且b_v，A_v，B_v，C_v，G_v，E_v，H_v均为中间变量。

b_v＝X/(D/2) (46)

E_v＝a_v cosθ/(b_v-a_v sinθ) (51)

式46中，a_h，b_h，A_h，B_h，C_h，G_h，E_h，H_h均为中间变量。在计算火焰下风向X距离处的视角因素时，θ取正值，反之，若是上风向，θ取负值。

a_h＝2L/D (52)

b_h＝-2X/D (53)

E_h＝a_h cosθ/(b_h-a_h sinθ) (58)

大气传递系数可通过Bagster给出的估算公式进行计算。

τ_a＝2.02(p_wX₀)^-0.09 (60)

p_w为环境温度下大气中的水蒸气压，X₀为目标至火焰表面的距离，可通过下式计算：

X₀＝X-D/2 (61)

当从同一个视角观察时，我们可以认为视角系数F_view相同，则热辐射主要与火焰表面辐射能量SEP正相关，热辐射主要与火焰表面被油烟覆盖的热量比率F_s，燃烧速率m″和油品的燃烧热H_c乘积有关。当气态燃烧物质油烟覆盖率较小时，燃烧速率和燃烧热较大，液态燃烧物质油烟覆盖率较大时，燃烧速率和燃烧热较小，理论推导难以精准确定热辐射模拟效果，为使得模拟油品和LPG的热辐射相同，需要通过试验研究进行测定。

S12，计算试验装置关键参数

(1)确定罐体几何形状

在本试验中，设定罐体直径为1.15m，高为1m。为保证其既可以移动又具有一定的稳定性，在底部设计安装了带有刹车的万向滑轮。罐体材料为普通钢板，厚度为3mm，总重量约为150kg，在罐体底部设有排水阀，方便灌水以及排水。罐体在制作成功后进行了抗压以及防漏测试。

(2)设定油品的种类

以LPG为燃料的火灾模拟训练系统燃烧装置在理论上可以设定任何种类的油品作为模拟对象，在本试验中考虑成本、实用等问题，设定要模拟的油品种类为柴油。柴油(Diesel主要成分是含10到22个碳原子的链烷、环烷或芳烃，化学和物理特性位于汽油和重油之间，沸点在170℃至300℃之间，比重0.82-0.845kg/L，热值为33000kJ/kg。

(3)计算LPG的流量

首先计算在此面积下的油品燃烧线速度，燃烧线速度可利用以下公式进行计算：

m”＝m”_∞(1-e^-kbD) (4-71)

其中m”为油品燃烧速度，单位是kg/m²·s，m”_∞为无限大油盘燃烧速度，D为油盘的直径，kb为常数。柴油的m”_∞为0.045kg/m²·s，kb为2.4，m”＝0.0271kg/m²·s，所以在此面积下柴油的燃烧速度为0.03kg/s。

热释放速率的计算公式：

HRRPUA＝m”H_c (62)

其中H_c为燃料的净燃烧热，柴油的燃烧热为33000kJ/kg。得到热释放速率HRRPUA＝1247.4KW/m²。

在本试验中，主要的指标就是保证油品以及LPG的热释放速率相同，由于LPG的燃烧热为45980kJ/kg，那么LPG的燃烧速率m”＝0.0271kg/m²·s。那么在此面积下LPG燃烧速度为0.0271kg/m²·s。LPG的密度2.35kg/m³，所以LPG的流量V＝2.8L/min＝46m³/h。

(4)估算管道直径

利用介质流速来确定管径，可利用经验公式进行计算，其数学表达式为：

d＝18.81V^0.5u^-0.5 (63)

d为内径，单位是mm，V为管内介质体积流量，单位是m³/h，u为平均流速，单位是m/s。根据《汽车加油加气站设计与施工规范》(GB50156-2012)规定，气态液化石油气在管道中的流速不宜大于12m/s，在这里可以按照12m/s计算。将上面的数据代入公式，得出d＝34.2mm，所以估算的管道内径为34.2mm，按照钢管规格标准应选择DN35的无缝钢管。

(5)设计喷嘴

根据试验要求设计喷嘴管道及可变径的喷嘴，本试验装置共设计了18个可变径的喷嘴，其内径分别是5.5mm、7.5mm、10.5mm。

(6)估算管道长度

估算管道长度主要目的是为了防止热辐射破坏装置，计算满开情况下热辐射强度，估算主管道长度，根据对热辐射的分析，利用Matlab进行计算。通过循环语句计算1m到10m内每隔1m的热辐射通量，计算结果如表3所示。

表3热辐射-距离计算结果表

在表3中，X为火焰中心至观测点的距离，换算成罐体外部管道的距离时X'＝X-0.5。

热通量准则是以热通量作为衡量目标是否被破坏的唯一参数，即当目标接收到的热通量大于或等于引起目标破坏所需的临界热通量时，目标被破坏；否则，目标不被破坏。热通量准则的适用范围为：热通量作用的时间比目标达到热平衡所需要的时间长。热通量准则的关键是确定热通量的临界值.池火热辐射人员烧伤半径和设备设施破坏距离计算标准如表4所示。

表4池火热辐射人员烧伤半径和设备设施破坏距离计算标准

根据表3和表4所示，考虑到试验人员安全及设备设施完好，管道设计时，要至少设计4.5m长的管道，以保证玻璃或塑料仪表的正常使用，以及液化气罐的安全。

(7)计算管道壁厚

承受内压的管子壁厚计算应符合下列规定：当计算壁厚t_s小于管子外径D₀的1/6时，管子的计算厚度不应小于式(64)计算的值。

t_s为管道厚度，p为设计压力(MPa)，这里为1.4MPa，D₀是管道外径(mm)，[σ]¹是在设计温度下材料的许用应力(MPa)，普通钢材在20℃时为113MPa，在450℃时为61MPa，E_j是焊接头系数，一般电焊取0.85，Y为系数。

Y系数应符合下列规定：当t_s＜D₀/6，按表5选取；当t_s≥D₀/6，按公式(65)计算：

D₀为管道外径(mm)，D_i为管道内径(mm)。

表5Y系数的确定

考虑到试验的安全性，管道的厚度应按66计算

t_sd＝t_s+C (66)

t_sd是直管设计厚度(mm)；C是厚度附加量之和(mm)。

C＝C₁+C₂ (67)

C₁为厚度减薄附加量，保护加工、开槽和螺纹深度及材料厚度负偏差(mm)，C₂为腐蚀或腐蚀附加量(mm)。

所以在一般来说厚度附加量之和C可取直管设计厚度的12.5％。经计算t_sd＝0.53mm，但是根据结构用无缝钢管(GB/T8162-2008)规定DN35的钢管壁厚不应小于3mm，所以在这里选择3mm厚的无缝钢管。

S13，实施试验方法

通过试验研究喷射方式、喷嘴直径、喷嘴距水面高度、喷嘴距罐顶高度、喷嘴流量、喷嘴个数、喷嘴间距等影响因素对火焰高度、宽度的影响程度。采用对比分析的方式研究柴油、LPG在相同热释放速率的条件下，热辐射强度以及温度的变化规律。

(1)火焰特征影响因素分析试验

第一步安装装置，检查气密性。将液化气钢瓶(1”)，流量计(4”)，压力表(3”)依次组装，利用液氮进行1.5倍工作压力下气密性的检验，调节环形喷嘴(7”)的高度(即更换喷嘴管道下部连接管)，调节环形喷嘴(7”)的个数及间距(利用螺母和喷嘴头开闭喷嘴)，向罐体(6”)内注水，调节罐体(6”)内水面高度。放置标杆(8”)，用于衡量火焰高度及宽度的大小。试验组装后如图3所示。

第二步用摄像机架将摄像机和照相机定点搭好，照相机确保与标杆(8”)和罐体(6”)中心的距离相同。第三步打开液化气钢瓶(1”)，迅速利用点火枪进行点火，点火后开始调节球阀(2”)，使流量在45—47m³/h的范围内。(如果在30s内没有点燃，则立即关闭液化气钢瓶的阀门，通风5min后再重复此步骤)。第四步待火焰稳定后开始拍摄。第五步改变指标参数重复进行第二步到第四步。

(2)燃料热辐射差异性对比试验

第一步安装试验装置，检验气密性。第二步安装数据采集器(13”)、计算机(12”)、热电偶(10”)和辐射热流计(9”)。第三步通过数据传输线(11”)将热电偶(10”)以及辐射热流计(9”)连接到数据采集器(13”)上。第四步打开计算机(12”)和数据采集器(13”)，确保热电偶(10”)以及各个探头的数据信息正常。第五步向罐体(6)内注水，调节好环形喷嘴(7”)的高度、喷嘴个数及喷嘴距水面高度。第六步打开液化气钢瓶(1”)，迅速利用点火枪进行点火，点火后开始调节球阀(2”)，使流量在45-47m³/h的范围内(如果在30s内没有点燃，则立即关闭液化气钢瓶的阀门，通风5min后再重复此步骤)。第七步等待火焰燃烧相对平稳时，开始记录数据，1min后停止记录。第八步向罐体(6)水面注入5-10mm厚的柴油，以及少量的汽油(柴油燃点高，不易点燃，只有通过汽油燃烧温度使其燃烧)，用点火枪点燃。第九步等待1-2min火焰燃烧相对平稳时，开始记录数据，1min后停止记录。第十步重复上述步骤。

作为优选的实施方式，所述S2，基于燃烧装置的数值模拟包括构建两种模型，分别为：

(1)构建小尺寸模型

小尺寸模拟是模拟试验装置大小的油罐以及LPG模拟训练装置的燃烧情况。

试验燃烧装置的大小尺寸大致为1.15m×1.15m×1m。将整个场景设置为4m×4m×10m，网格的大小是0.2，0.175，0.15。通过软件icem将整个计算域进行网格划分，网格数量为20万。

在本实施例中只需要模拟在室外的环境，湍流模型使用K-e标准湍流模型，其中K-e标准湍流模型主要用于计算流体流动，是工程中常用的模型。燃烧模型使用非预混燃烧模型，辐射模型选用P1模型，P1模型用于计算辐射传热，是计算池火火灾的常用模型。在此燃烧模型的基础上加入DPM模型，用于处理燃料消耗率，模拟燃料的喷射。

在fluent中设置4个观测点，观测点分别在油罐的两侧0.5m及0.8m处。设置时间步长为0.2s，通过观察观测点的温度和辐射分布，当检测量趋于稳定时，认为仿真已经稳定，设置总计算时间为90s。

油罐模型放置在计算域的最中央，油罐形状为圆形，上表面为燃烧面。计算过程中首先使用稳态计算，等到稳态计算过后各个观测点的变量趋于稳定之后切换到瞬态计算，等到瞬态计算完全稳定之后则认为燃烧稳定，停止计算。

LPG模型仿真是只是更换燃烧材料，设置质量流量，柴油为0.035kg/s，LPG为0.03kg/s。

Wall边界一边用于壁面等阻碍流体运动的边界，本次模拟中燃烧面、油罐壁面、地面等均使用Wall边界。其余与空气联通的边界使用压力出口边界，用于计算域的四周和顶部使用压力出口，表示边界与空气接触。LPG、柴油等燃料都是在燃烧面开始燃烧，在实际仿真过程中，要做一些简化，因此将燃烧面作为DPM燃油的喷射面。喷射流量根据燃料和尺寸给定。

使用三个网格进行无关性验证，分别是Mesh1，Mesh2，Mesh3，网格数量分别为8万，13万，20万，取小尺寸柴油的稳态工况进行验证，取油罐中心的轴向温度进行对比，对比数据可知继续加密网格结果对结果基本没有影响，所以取网格数量为20万的网格进行计算。

(2)全尺寸模型构建

在全尺寸模拟试验中，将对类似实际大小的油罐及LPG模拟训练装置进行模拟研究。准备模拟一个直径11.5m高10m的立式罐，其底面积约为100m²。

将整个空间设计为40×40×100m大小的场景。整个计算域内有30万个网格。其余部分与小尺寸一致。

本发明还提供了一种存储器，存储有多条指令，所述指令用于实现如实施例一所述的方法。

如图4所示，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器301和与所述处理器301连接的存储器302，所述存储器302存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行如实施例一所述的方法。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种用于火灾模拟训练系统的燃烧装置模拟方法，其特征在于，

所述用于火灾模拟训练系统的燃烧装置包括：气体燃料系统和气体燃烧器，气体燃料系统为气体燃烧器提供燃料，气体燃料在气体燃烧器中被点燃，产生火焰，放出辐射热；所述气体燃烧器为大气式燃烧器，所述大气式燃烧器由燃烧器头部和引射器两部分组成，燃烧器头部包括燃烧区(4)，引射器包括燃气进气口(1)、空气进气口(2)以及吸气收缩管(3)，其中燃气进气口(1)插入空气进气口(2)内，空气进气口(2)连接吸气收缩管(3)，收缩管(3)连接燃烧区(4)；燃气在一定压力下，以一定流速从喷嘴喷出，进入吸气收缩管(3)，并靠本身的能量吸入空气，在吸气收缩管(3)内燃气和空气混合，从头部喷出，经高压电火花点燃，点燃后形成火焰内锥；火焰内锥燃烧产物与剩余燃气混合后，再与周围空气混合进行燃烧，形成火焰外锥；

所述模拟方法包括：

S1，基于燃烧装置的试验模拟；以及

S2，基于燃烧装置的数值模拟；

所述燃烧装置的试验模拟基于燃烧装置试验研究，通过试验方法，利用气体燃烧装置，并使用LPG作为燃料模拟油罐火灾；使用LPG池火来模拟油品池火，利用LPG喷射火模拟火灾现场；

所述S1包括：

S11,试验原理分析

通过分析和模拟热释放速率和温度使油品与LPG的燃烧特性一致，其中：

(1)燃烧模拟热释放速率公式推导

热释放速率的计算公式为：

Q＝φ×m×ΔH (37)

其中Q为热释放速率，单位W；φ为燃烧效率因子，主要反应燃烧不完全的程度；m为可燃物的质量燃烧速率，单位kg/s；ΔH为该可燃物的热值，单位J；

假设油品和LPG热释放速率相同，则Q_油＝Q_LPG，则可以得到式38：

φ_油H_油m″_油＝φ_LPGH_LPGm″_LPG (38)

φ_油为模拟油品的燃烧效率因子，H_油为模拟油品的热值，m″_油为油品燃烧速率(kg/s)，φ_LPG为模拟油品的燃烧效率因子，H_LPG为LPG的热值，m″_LPG为LPG的燃烧速度(kg/s)；当燃烧条件确定时，燃烧条件包括油品种类、燃烧速率、温度和风速，H_油、m″_油、H_LPG均为确定值，所以通过调整m″_LPG就可以使得模拟油品和LPG燃烧时的热释放速率大致相同，m″_LPG即为燃烧装置LPG的供给强度；

(2)燃烧模拟热辐射公式推导

池火周围地面某一距离处的热辐射强度通过下式计算：

q＝SEP·F_view·τ_α (39)

q为距离池火中心x(m)处的热辐射强度，单位是W/m²，SEP为火焰表面热辐射能量，单位是W/m²，F_view为视角系数，τ_α为大气热传递系数；

其中，火焰表面热辐射能量通过下式计算：

SEP＝(1-ε)×SEP_max+ε×SEP_soot (40)

SEP_soot为油烟表面辐射能量，约为20×10³W/m²，ε为火焰表面被油烟覆盖的比率，SEP_max为火焰最大表面辐射能量，火焰最大表面辐射能量通过下式计算：

SEP_max＝F_sm″H_c/(1+4L/D) (41)

F_s为火焰表面被油烟覆盖的热量比率，m″为燃烧速率，H_c为油品的燃烧热，单位是J/kg，L为火焰高度，D为池火直径；

视角系数计算方法：

F_v为目标在垂直方向的几何视角系数，F_h为目标在水平方向上的几何视角系数；F_v、F_h的计算方法如下：

式43中a_v的计算可通过式45获得；

a_v＝l/(D/2) (45)

当目标在火焰阴影之外，即X≥D/2+Lsinθ时，l＝L；当目标在火焰阴影之内，即D/2＜X＜D/2+Lsinθ时，l＝(X-D/2)/sinθ；其中，X为火焰中心线和地面目标之间的水平距离；

式43中b_v，A_v，B_v，C_v，G_v，E_v，H_v，可通过下列运算公式获得，且b_v，A_v，B_v，C_v，G_v，E_v，H_v均为中间变量；

b_v＝X/(D/2) (46)

E_v＝a_vcosθ/(b_v-a_vsinθ) (51)

式46中，a_h，b_h，A_h，B_h，C_h，G_h，E_h，H_h均为中间变量；在计算火焰下风向X距离处的视角因素时，θ取正值，反之，若是上风向，θ取负值；

a_h＝2L/D (52)

b_h＝-2X/D (53)

E_h＝a_hcosθ/(b_h-a_hsinθ) (58)

大气传递系数可通过Bagster给出的估算公式进行计算；

τ_a＝2.02(p_wX₀)^-0.09 (60)

p_w为环境温度下大气中的水蒸气压，X₀为目标至火焰表面的距离，可通过下式计算：

X₀＝X-D/2 (61)；

S12，计算试验装置关键参数

(1)确定罐体几何形状

罐体直径为1.15m，高为1m；在底部设计安装了带有刹车的万向滑轮；罐体材料为普通钢板，厚度为3mm，总重量约为150kg，在罐体底部设有排水阀，方便灌水以及排水；

(2)设定油品的种类

设定要模拟的油品种类为柴油；

(3)计算LPG的流量

首先计算在此面积下的油品燃烧线速度，燃烧线速度利用下公式进行计算：

m″＝m″_∞(1-e^-kbD) (4-71)

其中m″为油品燃烧速度，单位是kg/m²·s，m″_∞为无限大油盘燃烧速度，D为油盘的直径，kb为常数，柴油的m″_∞为0.045kg/m²·s，kb为2.4，m″＝0.0271kg/m²·s，所以在此面积下柴油的燃烧速度为0.03kg/s；

热释放速率的计算公式：

HRRPUA＝m″H_c (62)

其中H_c为燃料的净燃烧热，柴油的燃烧热为33000kJ/kg，得到热释放速率HRRPUA＝1247.4KW/m²；

保证油品以及LPG的热释放速率相同，由于LPG的燃烧热为45980kJ/kg，那么LPG的燃烧速率m″＝0.0271kg/m²·s；在此面积下LPG燃烧速度为0.0271kg/m²·s；LPG的密度2.35kg/m³，LPG的流量V＝2.8L/min＝46m³/h；

(4)估算管道直径

利用介质流速来确定管径，可利用经验公式进行计算，其数学表达式为：

d＝18.81V^0.5u^-0.5 (63)

d为内径，单位是mm，V为管内介质体积流量，单位是m³/h，u为平均流速，单位是；气态液化石油气在管道中的流速不宜大于12m/s，在这里可以按照12m/s计算；将上面的数据代入公式，得出d＝34.2mm，估算的管道内径为34.2mm，按照钢管规格标准应选择DN35的无缝钢管；

(5)设计喷嘴

共设计18个可变径的喷嘴，其内径分别是5.5mm、7.5mm、10.5mm；

(6)估算管道长度

估算管道长度用于防止热辐射破坏装置，计算满开情况下热辐射强度，估算主管道长度，根据对热辐射的分析，利用Matlab进行计算，至少设计4.5m长的管道，以保证玻璃或塑料仪表的正常使用，以及液化气罐的安全；

(7)计算管道壁厚

承受内压的管子壁厚计算应符合下列规定：当计算壁厚t_s小于管子外径D₀的1/6时，管子的计算厚度不应小于式(64)计算的值：

t_s为管道厚度，p为设计压力(MPa)，为1.4MPa，D₀是管道外径(mm)，[σ]¹是在设计温度下材料的许用应力(MPa)，普通钢材在20℃时为113MPa，在450℃时为61MPa，E_j是焊接头系数，一般电焊取0.85，Y为系数；

Y系数应符合下列规定：当t_s＜D₀/6，按经验选取；当t_s≥D₀/6，按公式(65)计算：

D₀为管道外径(mm)，D_i为管道内径(mm)；考虑到试验的安全性，管道的厚度按式66计算：

t_sd＝t_s+C (66)

t_sd是直管设计厚度(mm)；C是厚度附加量之和(mm)；

C＝C₁+C₂ (67)

C₁为厚度减薄附加量，保护加工、开槽和螺纹深度及材料厚度负偏差(mm)，C₂为腐蚀或腐蚀附加量(mm)；

选择3mm厚的无缝钢管；

S13，实施试验方法

(1)火焰特征影响因素分析试验

第一步，安装装置，检查气密性，将液化气钢瓶(1”)，流量计(4”)，压力表(3”)依次组装，利用液氮进行1.5倍工作压力下气密性的检验，调节环形喷嘴(7”)的高度，调节环形喷嘴(7”)的个数及间距，向罐体(6”)内注水，调节罐体(6”)内水面高度，放置标杆(8”)，用于衡量火焰高度及宽度的大小；

第二步，用摄像机架将摄像机和照相机定点搭好，照相机确保与标杆(8”)和罐体(6”)中心的距离相同；

第三步打开液化气钢瓶(1”)，迅速利用点火枪进行点火，点火后开始调节球阀(2”)，使流量在45—47m³/h的范围内，如果在30s内没有点燃，则立即关闭液化气钢瓶的阀门，通风5min后再重复此步骤；

第四步待火焰稳定后开始拍摄；

第五步改变指标参数重复进行第二步到第四步；

(2)燃料热辐射差异性对比试验

第一步，安装试验装置，检验气密性；

第二步，安装数据采集器(13”)、计算机(12”)、热电偶(10”)和辐射热流计(9”)；

第三步，通过数据传输线(11”)将热电偶(10”)以及辐射热流计(9”)连接到数据采集器(13”)上；

第四步，打开计算机(12”)和数据采集器(13”)，确保热电偶(10”)以及各个探头的数据信息正常；

第五步，向罐体(6)内注水，调节好环形喷嘴(7”)的高度、喷嘴个数及喷嘴距水面高度；

第六步，打开液化气钢瓶(1”)，迅速利用点火枪进行点火，点火后开始调节球阀(2”)，使流量在45-47m³/h的范围内，如果在30s内没有点燃，则立即关闭液化气钢瓶的阀门，通风5min后再重复此步骤；

第七步，等待火焰燃烧相对平稳时，开始记录数据，1min后停止记录；

第八步，向罐体(6)水面注入5-10mm厚的柴油，以及少量的汽油，用点火枪点燃；

第九步，等待1-2min火焰燃烧相对平稳时，开始记录数据，1min后停止记录；

第十步，重复上述步骤。

2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，所述S2，基于燃烧装置的数值模拟包括构建两种模型，分别为：

(1)构建小尺寸模型

小尺寸模拟是模拟试验装置大小的油罐以及LPG模拟训练装置的燃烧情况，模拟在室外的环境，湍流模型使用K-e标准湍流模型，其中K-e标准湍流模型用于计算流体流动，是工程中常用的模型；燃烧模型使用非预混燃烧模型，辐射模型选用P1模型，P1模型用于计算辐射传热，在此燃烧模型的基础上加入DPM模型，用于处理燃料消耗率，模拟燃料的喷射；

(2)全尺寸模型构建

对类似实际大小的油罐及LPG模拟训练装置进行模拟。

3.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如权利要求1-2任一所述的方法。

4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如权利要求1-2任一所述的方法。

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