面向火灾事故现场的消防水炮射流轨迹预测技术综述*

侯晓静 毛文锋 郑毅 刘馨泽 袁纪武

(中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院 山东青岛 266000)

0 引言

随着大型展览馆、油罐区和高层住宅等场所规模的不断扩大[1]，火灾表现出燃烧温度高、消防人员难以靠近、火源位置难以精准预测等特点，因此对消防水炮射流轨迹的精准预测和智能控制提出了更高的要求。消防水炮是指水、泡沫混合液流量大于16 L/s，或干粉喷射率大于8 kg/s，以射流形式喷射灭火剂的装置[2]。其中，灭火剂从炮口向火源喷射的过程称为消防水炮射流运动。射流运动是随时间、空间不断发生变化的灭火过程，实现射流轨迹的精准预测是火灾事故现场应急处置的关键，也是消防水炮水射流轨迹研究的研究热点。国内外诸多学者对此进行了深入研究，但是仍然存在许多亟待解决的重点与难点问题[3-17]。为此，在先前学者们研究的基础上，探讨了消防水炮射流轨迹预测技术的研究现状及其局限性，并对未来的发展趋势进行了展望。

1 消防水炮水射流

1.1 消防水炮

消防水炮是以水为喷射介质，远距离扑救一般固体物质的消防设备。消防水炮主要由进口连接附件、炮体、炮头喷射部件构成，炮体可以调整俯角、仰角、水平角的回转角以达到任意角度的喷射灭火，同时炮头喷射部件用以实现不同的喷射射流。它具有射程远、性能稳定可靠、操作灵活、维护方便的特点。

1.2 消防水炮水射流

消防水炮将水向火源处喷射，形成液体射流。水从消防水炮喷嘴射出时速度较大，通常认为它是湍流运动，并且将水射入空气中，此时是非淹没射流，空气可以认为是一个非常大的空间，水射流在这时可以认为其运动不受边界的影响，一般来讲此时的射流为自由非淹没射流。

水在高压状况下从水炮出口处射出，速度大，雷诺数也大，作直线运动，其外形为充实液柱，在这样的情况下可以认为重力、空气阻力等外部作用力与表面张力和粘性力等内部作用力对射流没有影响。射流经过一段时间后离出口处较远，同时受到空气阻力的影响，射流与空气的接触面开始发生破碎，此时射流表面的内部作用力小于外部作用力。随着射流表面液滴的不断破碎脱离，射流内部逐渐受到空气阻力的影响，与空气开始直接接触，因此射流逐渐转变为液滴群。最终射流以液滴群的形式作用在火源上，此时的液滴具有较大的速度，对火具有一定的冲击力，另一方面水可以抑制、冷却火，从而进行灭火，如图1所示。

图1 水射流运动示意

从上述分析可以看出，水射流易发生破碎、融合、漂移等不稳定过程，其运动过程受到多种流体力学不稳定特征的影响，增加了其轨迹准确预测的难度。针对水射流的这些特征，国内外学者们采取了多种技术手段研究水射流轨迹预测技术，为快速有效扑灭火灾提供精准指导。

2 消防水炮射流轨迹研究

2.1 基于数学计算的消防水炮射流轨迹研究

以质点运动学理论、外弹道学和液流破碎等理论为基础，从消防水炮安装高度、喷射仰角及压力等方面出发，利用推导出的数学解析式预测射流轨迹，称为“基于数学计算的消防炮射流轨迹研究”。

史兴堂[15]着重探讨了消防炮的射程及其与影响因素之间的关系，并通过理论计算与实验研究的方法，在国内首次建立射程的计算公式及其与射高的关系。HATTON等[16-17]考虑空气阻力对于水射流运动的影响，通过模拟仿真与实验数据相对比的方法，最终获得运动轨迹曲线。万峰等[18]根据质点运动学相关理论，结合实验实测数据，推导出考虑炮口处初速度、喷射仰角、射程等工作参数的消防水炮轨迹方程。庄坤森[19]研究出包含消防水炮初速度、喷射仰角、射程、流量等参数的优化算法，该算法能够解决由于重力引起的落点误差问题，同时也避免了调试补偿仰角的环节。朱蓓丽[20]参考不同工况参数下的仿真结果，深入分析工作压力、流量、俯仰角度和安装高度对射程及落点速度的影响规律，同时分析喷射误差的起因，从而提出实现精准喷射的研究方法。

2.2 基于数值模拟的消防水炮射流轨迹研究

基于数值模拟的轨迹研究是利用CFD方法建立数值计算模型，并用于模拟消防炮射流运动轨迹。无网格粒子法是计算流体力学领域的一种计算方法，其中移动粒子半隐式法是无网格计算方法的典型代表。无网格粒子法具有无需生成网格的特点，这一特点使其能够模拟任意形状的界面及其变形和破裂[21]。TATSUYA MIYASHITA等[22]利用移动粒子半隐式法模拟大流量消防炮的射流轨迹，发现射流运动轨迹与水流量和工作压力密切相关。PONZIANI等[6]等采用计算流体动力学方法建立消防水炮射流运动模型，发现其射流形状与实验结果基本吻合，并指出设置合适的网格尺寸更利于准确描述射流运动。另外，崔海涛[23]比较分析了3种射流仿真模型：抛物线近似模拟射流轨迹模型、基于相似理论的射流轨迹模拟模型以及基于运动方程的射流轨迹模拟模型。首先设定相关参数，运动方程计算模型生成射流轨迹仿真数据，将所获得的数据结合粒子系统的表现形式，拟合成射流轨迹曲线，从而实现物理模型驱动的射流轨迹模拟。

2.3 基于计算机视觉的消防水炮射流轨迹研究

利用图像识别和跟踪技术，以摄像头作为传感器，将摄像头采集的图像、视频信息进行计算机处理，通过图像技术跟踪射流轨迹运动，从而实现消防炮轨迹及落点的准确定位。这样的研究称为“基于计算机视觉的轨迹研究”[24]。陈静[25]首先使用背景减除法、分割与滤波算法进行轨迹检测，在此基础上通过模板匹配法和单向搜索法查找射流轨迹，对于轨迹中断续部分采用曲线拟合的方法加以补偿，从而得到较为完整的射流轨迹曲线，但该研究方法仍存在图像处理时间长、处理后失真严重的问题。孙维禄[26]在前人的基础上进一步提出使用RGB三色法提取射流轨迹的方法，有效改善图像失真的问题，并通过简化滤波算法大大节约计算资源。苏浩[24]也展开了对基于图像的射流识别技术的研究，首先将背景减除法与矢量搜索法相结合搜索背景变化不大的射流轨迹，以避免外界环境的干扰，之后针对背景复杂的状况，将基于粒子群思想的迭代搜索法与矢量搜索法相结合，进而识别、跟踪射流运动。

3 总结与展望

通过以上消防水炮射流轨迹研究文献的阐述，对水炮射流轨迹研究进行了详尽的总结。在此基础上，拟对其将来的发展趋势进行展望。

3.1 数学公式研究方面

虽然国内外学者对基于数学计算的水炮射流预测技术进行了大量研究[27-28]，但这些研究大多是将水炮射流过程进行物理学简化，将其看作简单的射流曲线，研究运动过程中各物理参量的变化规律，忽略了水炮射流的实际形态特征呈水柱的特点，并且在使用抛物线模型进行重力和空气阻力影响下水炮射流的力学分析时，由于对射流内部流场认识缺失，模型在降低射程误差和提高落点预测准度等方面往往显得力不从心。因此，为准确预测射流轨迹，构建其运动模型时必须充分考虑水流喷射过程中所受重力、空气阻力等外部作用力和表面张力等内部作用力的影响。

3.2 仿真研究方面

消防水炮射流在灭火过程中由于受到重力、空气阻力等因素的影响，消防水炮的射流在空气阻力作用下不再按抛物线型轨迹运动，而呈曲线衰落趋势，射流的水流落地点与实际火源位置会产生偏差，造成喷射不够精准，灭火效率不高。而如今的水炮射流仿真模型对射流的形状及模式有较为准确的描述，但是很难准确模拟消防炮射流过程中的流体破碎、漂移等不稳定过程，从而使得轨迹的准确预测非常困难。因此，在采用现代计算流体力学(CFD)的方法，有必要充分考虑大尺度射流运动过程中多种不稳定因素的耦合作用，对水炮射流运动过程进行高精度数值模拟，获取射流的形成、喷射、断裂、破碎和雾化等等一系列细微特征，为水炮射流轨迹和落点的精准模型构建提供指导。

3.3 计算机视觉研究方面

基于计算机图像的消防炮射流定位方法[29-31]虽然有了一定的研究基础，然而由于背景环境的干扰、算法本身的识别精度不足等问题，使得发展消防炮射流的识别精度和算法是实现精准预测水炮射流轨迹的关键环节。

3.4 发展方向

现如今火灾事故频发，严重影响工农业发展和人民正常的生产生活，这就对消防水炮的技术发展提出了新的要求。而消防水炮的射流灭火过程是一个复杂多变的过程，因此有必要建立可预测消防水炮轨迹线、落点位置的准确方法，从而满足快速、准确灭火的需求。智能化是将来消防水炮技术发展的必然趋势，而消防水炮射流轨迹的准确预测是实现消防水炮自动化和智能化的关键。构建面向火灾事故现场的消防水炮射流轨迹模型，研究消防水、火羽流、气象、燃烧表面等多因素耦合下的水射流运动规律，是未来消防水炮射流轨迹研究的一个重要方向。具体如下：

(1)消防水的物理特性参数主要指水滴粒径、水滴密度和水滴动量等因素，受工作压力和炮身的几何性能等因素影响，消防水的物理特性参数对射流轨迹影响很大，通常工作压力越大，水滴动量越大，水滴运动距离就越远。

(2)火灾燃烧时其火焰上的烟气和周围空气之间，由于存在温度梯度产生密度梯度，从而形成浮力效应。火羽流的浮力效应降低了水滴密度和水滴动量，从而对射流轨迹产生较大影响。根据火羽流已有的理论研究成果，结合工程实际应用，给出火羽流影响下射流轨迹线的预测模型。

(3)火场的风速、风向等气象条件也会影响消防水炮射流运动轨迹，通过深入分析火灾现场风场的规律和特点，得到风场的形成机制、影响范围、运行变化规律及其对消防水炮射流轨迹的影响，建立消防水炮运动轨迹随风速、风向等因素发生动态变化的近似估算式。