一种压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角的计算方法

admin管理员组

文章数量:866648

本发明公开了一种压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角的计算方法。压缩空气泡沫智能炮安装完成后自动监测周围火灾情况，当火灾发生时，炮口对准火源完成火源位置定位，控制系统反馈得到此时炮筒的火源定位角，然后按照计算方法计算得出压缩空气泡沫射流喷射到火源点所需的俯仰角，最后控制伺服电机完成炮筒角度的调整。本发明突破了压缩空气泡沫这种复杂流体的自动跟踪、精确定位的技术瓶颈，实现了压缩空气泡沫灭火技术向自动化、智能化方向的发展，可为公路隧道、汽车库、机库等典型场所提供具有“自动跟踪、精确打击、快速灭火”功能的新型灭火装备。该计算方法简单有效，数据解算复杂度较低，可以由压缩空气泡沫智能炮的控制系统实时完成计算。

1.一种压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角的计算方法，其特征在于，所述计算方法有如下步骤：步骤一.初始参数设定①.在压缩空气泡沫智能炮安装完成后，让炮口归到零位，手动测量炮口到地面的安装高度，记为H，单位为米；②.通过量角仪测量此时炮筒与水平面的绝对夹角，记为α，单位为度，当炮筒高于水平面时，α为负值，当炮筒低于水平面时，α为正值；③.设定压缩空气泡沫产生装置泡沫混合比、水流量Q、空气流量Q；④.将炮口到地面的安装高度H、绝对夹角α、水流量Q和空气流量Q输入初始界面，初始化参数；步骤二.压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角以及炮口所需调整角度的计算①.根据以下公式，计算出压缩空气泡沫射流的初始速度V和空气阻力系数K：压缩空气泡沫液相部分按水的物理特性取值，压缩空气泡沫气液比：式(1)中：λ为无量纲参数；水流量Q单位为L/min；空气流量Q单位为m/h；压缩空气泡沫质量含气率：式(2)中：ε为无量纲参数；ρ为空气密度，单位为kg/m；ρ为水密度，单位为kg/m；根据公式得出压缩空气泡沫平均动力粘度式(3)中：压缩空气泡沫平均动力粘度单位为Pa·s；μ为空气动力粘度，单位为Pa·s；μ为水动力粘度，单位为Pa·s；压缩空气泡沫平均密度：式(4)中：压缩空气泡沫平均密度单位为kg/m；压缩空气泡沫射流初始速度：式(5)中：V单位为m/s；d为炮口管径，单位为m；雷诺数：式(6)中：R为无量纲参数；压缩空气泡沫射流的空气阻力系数：式(7)中：K为无量纲参数；②.当炮口对准火源点P时，控制系统反馈得到此时炮口的火源定位角β，根据公式r＝α+β和公式X＝H/tan(r)计算炮口的真实火源定位角r和火源点P距离炮口的水平距离X；③.根据压缩空气泡沫射流轨迹方程，采用牛顿迭代法求解变量ω，迭代初值为ω＝1.1，迭代终止精度为10，其轨迹方程f(ω)及一阶导函数df(ω)为：式(8)中：火源点距离炮口的水平距离X单位为m；g为重力加速度；④.判断变量ω是否收敛，若收敛则输出变量ω，执行下一步骤；如果不收敛，输出火源点距离超出保护半径；⑤.根据公式θ＝arccos(ω)和公式θ＝θ－r计算出压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角θ及炮口所需要的调整角度θ。

技术领域

本发明涉及自动灭火技术，具体涉及一种压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角的计算方法。

背景技术

智能消防炮是针对体育场馆、会展中心、大型仓库等高大空间场所而专门开发的一种新型自动灭火装置，其工作原理为：依靠火灾自动探测定位系统自动探测火源并进行定位，依据定位数据自动调节消防炮的姿态，进而精确向火源喷射，达到“精确打击，快速灭火”的目标。目前市场上已有的智能消防炮，都是以水为灭火介质，故又称为智能消防水炮或自动寻的消防水炮，这类智能炮主要用于火灾类型为A类火的场所，而对于公路隧道、汽车库、机库等存在B类火、A类火及AB类混合火的典型场所，则难以满足实际火灾扑救需求。

压缩空气泡沫灭火技术是一种新型高效灭火技术，它采用正压方式将一定比例的压缩空气(或氮气)注入到泡沫溶液中，充分混合后形成压缩空气泡沫，通过管路进行输送，再经压缩空气泡沫释放装置进行喷射释放。与传统负压吸气式泡沫相比，压缩空气泡沫具有泡沫均匀、稳定性好、灭火效能高、适宜扑救A类火、B类火、AB类混合火等突出特点，因此具备解决公路隧道、汽车库、机库等典型场所火灾扑救技术难题的优势和潜力。但是，目前压缩空气泡沫灭火技术主要应用在移动式压缩空气泡沫消防车上，压缩空气泡沫释放装置主要包括消防枪与消防炮，操作方式为手动，即由人工操控进行泡沫释放和灭火，目前尚无压缩空气泡沫智能炮自动灭火装置。

气液两相流的压缩空气泡沫与单相流的水完全不同。压缩空气泡沫是一种由微溶性或不溶性的气体分散于液体中形成的分散体系，并且是一个热力学不稳定体系，其密度随着压力的变化而变化，这就导致压缩空气泡沫在空中的射流轨迹与水的射流轨迹完全不同。现有智能消防水炮的自动跟踪定位方法不适用于压缩空气泡沫智能炮。为了开发压缩空气泡沫智能炮，确保压缩空气泡沫射流能够准确地喷射到火源点，亟需建立一种压缩空气泡沫射流俯仰角的计算方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角的计算方法。压缩空气泡沫智能炮安装完成后，自动监测周围火灾情况，当火灾发生时，炮口对准火源完成火源位置定位，控制系统反馈得到此时炮筒的火源定位角，然后按照射流俯仰角计算方法计算得出压缩空气泡沫射流喷射到火源点所需的俯仰角，最后控制伺服电机完成炮筒角度的调整。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角的计算方法，其特征在于，所述计算方法有如下步骤：

步骤一.初始参数设定

①.在压缩空气泡沫智能炮安装完成后，让炮口归到零位，手动测量炮口到地面的安装高度，记为H，单位为米；

②.通过量角仪测量此时炮筒与水平面的绝对夹角，记为α，单位为度，当炮筒高于水平面时，α为负值，当炮筒低于水平面时，α为正值；

③.压缩空气泡沫产生装置设定泡沫混合比、水流量Q水、空气流量Q气；

④.将炮口到地面的安装高度H、绝对夹角α、水流量Q水和空气流量Q气输入初始界面，初始化参数；

步骤二.压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角以及炮口所需调整角度的计算

①.根据以下公式，计算出压缩空气泡沫射流的初始速度V0和空气阻力系数K：

压缩空气泡沫液相部分按水的物理特性取值，

压缩空气泡沫气液比：

式(1)中：λ为无量纲参数；水流量Q水单位为L/min；空气流量Q气单位为m3/h；

压缩空气泡沫质量含气率：

式(2)中：ε为无量纲参数；ρ气为空气密度，单位为kg/m3；ρ水为水密度，单位为kg/m3；

根据公式

得出压缩空气泡沫平均动力粘度

式(3)中：压缩空气泡沫平均动力粘度单位为Pa·s；μ气为空气动力粘度，单位为Pa·s；μ水为水动力粘度，单位为Pa·s；

压缩空气泡沫平均密度：

式(4)中：压缩空气泡沫平均密度单位为kg/m3；

压缩空气泡沫射流初始速度：

式(5)中：V0单位为m/s；d为炮口管径，单位为m；

雷诺数：

式(6)中：Re为无量纲参数；

压缩空气泡沫射流的空气阻力系数：

式(7)中：K为无量纲参数；

②.当炮口对准火源点P时，控制系统反馈得到此时炮口的火源定位角β，根据公式r＝α+β和公式X＝H/tan(r)计算炮口的真实火源定位角r和火源点P距离炮口的水平距离X；

③.根据压缩空气泡沫射流轨迹方程，采用牛顿迭代法求解变量ω，迭代初值为ω＝1.1，迭代终止精度为10-6，其轨迹方程f(ω)及一阶导函数df(ω)为：

式(8)中：火源点距离炮口的水平距离X单位为m；g为重力加速度；

④.判断变量ω是否收敛，若收敛则输出变量ω，执行下一步骤；如果不收敛，输出火源点距离超出保护半径；

⑤.根据公式θ＝arccos(ω)和公式θad＝θ－r计算出压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角θ及炮口所需要的调整角度θad。

本发明的有益效果表现在：

(1)在大量实验研究和数值计算分析的基础上建立的压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角计算方法，突破了压缩空气泡沫这种复杂流体的自动跟踪、精确定位的技术瓶颈，实现了压缩空气泡沫灭火技术向自动化、智能化方向的发展，可为公路隧道、汽车库、机库等典型场所提供具有“自动跟踪、精确打击、快速灭火”功能的新型灭火装备。

(2)在压缩空气泡沫智能炮安装完成后，只需根据实地场所工况进行一次初始参数的设定。当火灾发生时，炮口对准火源完成火源位置定位，然后按照射流俯仰角计算方法计算得出压缩空气泡沫射流喷射到火源点所需的俯仰角，最后控制伺服电机完成炮筒角度的调整。

(3)在压缩空气泡沫智能炮完成对火源的定位后，对于不同流量、气液比的压缩空气泡沫都能够实现自动计算压缩空气泡沫的射流俯仰角以及炮口调整所需角度，自动调整炮口，保证压缩空气泡沫射流的末端准确击在火源点。

(4)该计算方法简单有效，数据解算复杂度较低，可以由压缩空气泡沫智能炮的控制系统实时完成计算。

附图说明

图1为压缩空气泡沫智能炮火源定位角和射流俯仰角关系示意图；

图2为压缩空气泡沫智能炮的初始参数设定操作流程图；

图3为压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角及炮口所需调整角度的计算流程图；

图4为压缩空气泡沫射流俯仰角计算值与真实值对比图。

图中：—□—表示真实值；—○—表示计算值。

具体实施方式

为了便于本领域专业技术人员理解，下面结合附图对本发明做进一步详解。

压缩空气泡沫智能炮安装完成后，自动监测周围火灾情况，当火灾发生时，炮口对准火源完成火源位置定位，控制系统反馈得到此时炮筒的火源定位角，然后按照射流俯仰角计算方法计算得出压缩空气泡沫射流喷射到火源点所需的俯仰角，最后控制伺服电机完成炮筒角度的调整。

一种压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角计算方法具体步骤如下：

步骤一.初始参数设定——参照图1和图2：

①.在压缩空气泡沫智能炮安装完成后，让炮口归到零位，手动测量炮口到地面的安装高度，记为H，单位为米。

②.通过量角仪测量此时炮筒与水平面的绝对夹角，记为α，单位为度，当炮筒高于水平面时，α为负值，当炮筒低于水平面时，α为正值。

③.压缩空气泡沫产生装置设定泡沫混合比、水流量Q水、空气流量Q气。例如：使用的泡沫灭火剂为A类泡沫，泡沫比例混合器设定为1％，水流量Q水＝400L/min，空气流量Q气＝210m3/h。开启系统进行试射，待压缩空气泡沫射流稳定后，收集泡沫并测定泡沫性能，满足泡沫倍数在10～15倍之间。

④.将炮口到地面的安装高度H、绝对夹角α、水流量Q水和空气流量Q气输入初始界面，初始化参数。

步骤二.压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角以及炮口所需调整角度的计算——参照图1和图3：

①.根据以下公式，计算出压缩空气泡沫射流的初始速度V0和空气阻力系数K：

压缩空气泡沫液相部分按水的物理特性取值，

压缩空气泡沫气液比：

式(1)中：λ为无量纲参数；水流量Q水单位为L/min；空气流量Q气单位为m3/h；

压缩空气泡沫质量含气率：

式(2)中：ε为无量纲参数；ρ气为空气密度，单位为kg/m3；ρ水为水密度，单位为kg/m3；

根据公式

得出压缩空气泡沫平均动力粘度

式(3)中：压缩空气泡沫平均动力粘度单位为Pa·s；μ气为空气动力粘度，单位为Pa·s；μ水为水动力粘度，单位为Pa·s；

压缩空气泡沫平均密度：

式(4)中：压缩空气泡沫平均密度单位为kg/m3；

压缩空气泡沫射流初始速度：

式(5)中：V0单位为m/s；d为炮口管径，单位为m；

雷诺数：

式(6)中：Re为无量纲参数；

压缩空气泡沫射流的空气阻力系数：

式(7)中：K为无量纲参数。

②.当炮口对准火源点P时，控制系统反馈得到此时炮口的火源定位角β，根据公式r＝α+β和公式X＝H/tan(r)计算炮口的真实火源定位角r和火源点P距离炮口的水平距离X；

③.根据压缩空气泡沫射流轨迹方程，采用牛顿迭代法求解变量ω，迭代初值为ω＝1.1，迭代终止精度为10-6，其轨迹方程f(ω)及一阶导函数df(ω)为：

式(8)中：火源点距离炮口的水平距离X单位为m；g为重力加速度；

④.判断变量ω是否收敛，若收敛则输出变量ω，执行下一步骤；如果不收敛，输出火源点距离超出保护半径；

⑤.根据公式θ＝arccos(ω)和公式θad＝θ－r计算出压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角θ及炮口所需要的调整角度θad。

最后输出炮口调整角度θad，控制系统控制伺服电机进行角度调整，使得压缩空气泡沫能够准确喷射到火源点P。

压缩空气泡沫射流轨迹方程是根据压缩空气泡沫均相模型以及质点运动学知识推倒出来的压缩空气泡沫射流轨迹数学模型，在大量实验研究基础上进行参数修正得到的。

参照图4，图中纵坐标θ表示压缩空气泡沫智能炮射流俯仰角；X表示火源点P距离炮口的水平距离，对比真实实验结果与采用本发明所计算出的射流俯仰角，误差很小，证明本发明的计算方法精确可靠。

本文标签： 压缩空气射流计算方法泡沫智能