冷激波滅火系統(tǒng)的應(yīng)用研究.pdf

1、火災(zāi)已給人類帶來了眾多的人員傷亡和嚴重的經(jīng)濟損失。為了預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生和減少損失，各式各樣的消防設(shè)備和探測儀器應(yīng)運而生，但是在面對高樓、森林、草原等特殊火災(zāi)時，由于受地形條件、環(huán)境因素以及設(shè)備本身缺陷等的限制，消防物資和消防人員不能及時到達火災(zāi)現(xiàn)場，導(dǎo)致了更加嚴重的火災(zāi)損失。滅火彈由于可以通過迫擊炮、火箭等設(shè)備發(fā)射，從而不受地形、地勢條件的影響，因此可以實現(xiàn)人工遠距離控火、滅火。目前滅火彈還受造價高、穩(wěn)定性差、安全性低等缺點限制，使其實際

2、應(yīng)用較少；而且面對超高層建筑火災(zāi)時，現(xiàn)有追擊炮、火箭等發(fā)射裝置存在發(fā)射精確度低，無法滿足現(xiàn)有消防要求；針對滅火彈的研究也主要集中在滅火彈結(jié)構(gòu)優(yōu)化、引信設(shè)計、滅火效果及相關(guān)主要影響因素方面，而針對滅火機理方面的研究卻未見諸報道。
　　 本文在已有滅火彈基礎(chǔ)、FAE(fuel air explosive)技術(shù)、激波滅火技術(shù)和無人機技術(shù)上提出了一種適用于無人直升機的冷激波滅火系統(tǒng)。該滅火系統(tǒng)采用人工智能控制無人直升飛機，到達指定位置后

3、投放或發(fā)射冷激波滅火彈，冷激波滅火彈到達火場后啟動引信，起爆冷激波滅火彈，從而達到控火、滅火的目的。普通空中激波具有高溫、高壓特性，而冷激波滅火系統(tǒng)中拋灑藥爆炸后首先需要通過滅火介質(zhì)，由于滅火介質(zhì)比熱較大，因此所形成的激波溫度較低，故稱為冷激波滅火系統(tǒng)。
　　 論文針對無人直升機式冷激波滅火系統(tǒng)整個應(yīng)用過程，研究了水基和粉基滅火介質(zhì)的力學(xué)模型，測試了滅火彈內(nèi)壁處的壓力，研究了冷激波滅火彈殼體破碎規(guī)律，分析了滅火彈爆炸拋灑/撒后所

4、引起的空氣擾動情況，研究了冷激波滅火彈靜態(tài)滅火的滅火機理及相關(guān)影響因素，對點火藥的選擇、殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了分析。論文具體工作包括：
　　 水基/粉基滅火介質(zhì)力學(xué)模型。簡單介紹了水基滅火介質(zhì)的力學(xué)模型，通過MTS實驗測試的松散粉體在不同位移加載速度下的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線和SEM圖片發(fā)現(xiàn)：粉體介質(zhì)中存在大量空隙，粉體的抗壓強度隨著加載應(yīng)力和加載速度的增大而增大，粉體在壓縮過程中需要消耗大量的能量。為了增大彈體加載率、減小爆炸能量損

5、失，提出預(yù)壓縮粉團思想。采用MTS和SHPB實驗對5MPa、10MPa、15MPa預(yù)壓力下的預(yù)壓縮粉團進行了靜態(tài)壓縮破壞和動態(tài)壓縮破壞實驗，發(fā)現(xiàn)預(yù)壓縮粉團的屈服強度隨著預(yù)壓力的增大而增大、隨著應(yīng)變率的提高而提高，并藉此建立松散粉體和預(yù)壓縮粉團的本構(gòu)模型。
　　 冷激波滅火彈內(nèi)壁壓力測試。首先采用量綱法分析了冷激波內(nèi)壁處的壓力與彈體直徑和裝藥量的關(guān)系，然后在不同內(nèi)壁直徑、不同裝藥量下，采用PVDF壓力傳感器測試松散粉體下冷激波滅火

6、彈內(nèi)壁處的壓力。對比水基滅火彈發(fā)現(xiàn)：為了達到相同的殼體破碎效果，粉基冷激波滅火彈的拋灑藥和比藥量都要高于水基滅火彈；對比無限粉基介質(zhì)內(nèi)所測的峰值壓力發(fā)現(xiàn)，粉基滅火介質(zhì)在彈體壁面處的反射超壓約為入射超壓的7.8倍；通過研究所測壓力波形發(fā)現(xiàn)，粉基冷激波滅火彈殼壁破碎是由于爆炸沖擊波和爆生氣體共同作用產(chǎn)生的。
　　 冷激波滅火彈殼體破碎。根據(jù)已有PVC材料的動靜態(tài)力學(xué)實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)PVC材料是粘塑性材料，在初始屈服階段具有應(yīng)變強化

7、特性，應(yīng)變值超過0.032后，材料出現(xiàn)弱化?；谏鲜鼋Y(jié)果，加上應(yīng)變損傷模型并在假設(shè)的基礎(chǔ)上建立PVC材料的Johnson-Cook本構(gòu)模型。根據(jù)所測壓力對PVC薄殼結(jié)構(gòu)做動力響應(yīng)分析，求解薄殼單元的膨脹速度和膨脹位移。最后采用實驗和數(shù)值模擬的方法研究PVC殼體的破碎行為和破碎方式。發(fā)現(xiàn)：殼體破碎從外表面開始；預(yù)制裂紋數(shù)量決定了殼體破片形狀和大小，隨著預(yù)制裂紋數(shù)量的增多，殼體破碎越均勻，但較多的預(yù)裂紋會消耗更多的爆炸能量；為達到相同的殼體

8、破碎效果，水基滅火彈所需的比藥量低于粉基滅火彈，預(yù)壓縮粉基滅火彈的比藥量低于松散粉基滅火彈。
　　 冷激波滅火彈的爆炸拋灑。首先通過高速攝影拍攝水基和粉基冷激波滅火彈的爆炸拋灑，觀察其拋灑規(guī)律；然后采用DPM模型和兩相流模型模擬液滴和粉體顆粒在空中高速運動所引起的空氣擾動；最后通過高速紋影實驗觀察小尺寸下滅火介質(zhì)爆炸拋灑的運動規(guī)律。發(fā)現(xiàn)：不管是水基還是粉基滅火介質(zhì)，爆炸拋灑后由于曳力作用，會在空中形成較大卷吸現(xiàn)象，卷吸現(xiàn)象的產(chǎn)生

9、迫使滅火介質(zhì)上方火焰和大量新鮮空氣進入滅火介質(zhì)場中，從而加快介質(zhì)滅火速度和火場溫度下降速度。
　　 冷激波滅火彈的滅火機理。首先通過紋影實驗觀察滅火介質(zhì)爆炸拋灑后的激波現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)：粉基滅火介質(zhì)能在觀察窗中觀察到激波現(xiàn)象，激波速度為440m/s，而水基滅火介質(zhì)未觀察到激波現(xiàn)象。隨后采用激波理論分析激波波陣面前后的壓力、速度、介質(zhì)密度和溫度的變化情況，論證了激波滅火的可行性；采用數(shù)值模擬和實驗的方法分析弱激波在氣液界面的運動規(guī)律及對

10、周邊環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)：液面上方會形成馬赫反射，從而降低了激波衰減速度，但是對比介質(zhì)拋灑所引起的加快可燃氣體的燃燒速度，激波的影響弱于介質(zhì)拋灑。接著簡單介紹了水基和粉基滅火介質(zhì)的滅火機理，并詳細的分析了激波與滅火介質(zhì)的相互作用機理及滅火機理。最后定義了一個影響因子（滅火彈高度/火焰高度），分析了影響因子和比藥量對滅火效果的影響，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)影響因子在0.118及以下時冷激波滅火彈不能撲滅油盆火；隨著必要量的增大，激波強度越大，介質(zhì)霧化效果越好