CFD在風力滅火機和水泵研究中應用的綜述

劉至睿 仇玄江 王星宇 戴語煊

摘要：森林火災是一種常見的自然災害，凡是有森林的地方就會出現(xiàn)森林火災。據(jù)相關部門統(tǒng)計，全球每年發(fā)生大大小小的森林火災高達20余萬次，因火災而毀掉的森林占全球森林總面積的1%。我國森林覆蓋面積相對于全球森林覆蓋面積并不高，平均每年發(fā)生1萬起以上的森林火災，森林燒毀面積占到全球森林燒毀面積的50%以上。隨著時代的發(fā)展，經(jīng)過不斷升級、優(yōu)化、改造消防設施設備，在1987年大興安嶺特大森林火災中，我國最主要的滅火裝備是水泵和風力滅火機，這些設備在當時救災滅火工作中發(fā)揮著重要作用。如何對于防火滅火設備進行革新以及優(yōu)化成為了現(xiàn)階段的研究熱點，改進原有設備設計和技術對于提高滅火效率，降低自然災害的危害有著十分重要的作用。

關鍵詞：CFD; 風力滅火機; 水泵

1 ? CFD概述

1.1 ?CFD的應用現(xiàn)狀

計算流體力學簡稱CFD，是越來越被科研界廣泛關注的課題方向，現(xiàn)如今，計算流體力學已經(jīng)從最初的定性分析朝著定量計算的方向上發(fā)展，計算流體力學已經(jīng)成為了CFD工作系統(tǒng)的重要組成部分。利用專業(yè)計算軟件對于流體力學問題進行數(shù)值實驗有助于充分認識到流體的流動規(guī)律，為評價以及選擇設計方案提供了諸多的便利。數(shù)值實驗可以大幅度減少相對應的實體實驗的工作量，充分提高數(shù)值實驗的工作效率以及設計方案的科學性。

目前，在物理模型、計算方法以及網(wǎng)格技術上，計算流體力學都取得了不錯的進展。高精度格式方法是現(xiàn)如今在計算方法上的研究熱點，階數(shù)一般在三階以上，其中最為常見的就是對于緊致格式的研究。緊致格式已經(jīng)成為比較成熟的專業(yè)理論。計算方法涉及諸多領域知識，主要包括拉格朗日方法、時空守恒元方法、譜方法已經(jīng)涉及帶限制器的高階插值等。傳統(tǒng)的計算流體力學更是和基因算法緊密結(jié)合起來，新的計算方法在最優(yōu)化涉及以及域分裂等領域都有著很好的發(fā)展前景?；旌暇W(wǎng)格技術、分塊網(wǎng)絡技術以及網(wǎng)格和流動特性的相容性都是現(xiàn)如今網(wǎng)格技術方面的研究重點。對于復雜幾何形狀或者并行類的流體計算，分塊網(wǎng)格是重要的處理問題方法?；旌暇W(wǎng)格技術有兩個部分組成，分別是矩形網(wǎng)格以及非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。在物理模型方面，Euler以及NS方程仍然是最常采用的流動方程。

1.2 ?CFD應用的關鍵問題

1.2.1 ?具體應用的數(shù)學模型

N-S方程是最為經(jīng)常采用的描述一般流動方程的基本方法，但是考慮到計算機有著容量以及計算速度上的限制以及在實際工程中沒有直接求解的必要，所以在采用N-S方程求解問題的過程中都是先進行方程的簡單化處理然后再進行求解。具體的方程簡化方法主要分為三種：

（1）線性、無粘處理。線性無粘處理方法是早期廣泛應用而現(xiàn)如今已經(jīng)走向成熟的經(jīng)典方法，Panel方法是其中最為典型的方法，但是線性無粘處理方法在處理存在分離流動的區(qū)域的應用時存在著很大的局限性，會發(fā)生計算結(jié)果出現(xiàn)較大精度誤差的情況。

（2）非線性、無粘處理。非線性、無粘處理方法在線性、無粘處理方法上有著很大的改進，由于對于主流的簡化從而在邊界層的處理上取得了更好的效果。

（3）粘性、時間平均處理。粘性、時間平均處理方法會采取時間平均的方法去處理紊流的N-S方程，在封閉控制方程組的基礎之上做出假設，從而提出合理的紊流模型。

現(xiàn)如今，k-8模型以及二方程模型是處理紊流模型最為常用的解決方法，但是任何模型都存在著不足，迄今還不存在全能通用的紊流模型，在不同的流動環(huán)境之下需要采用最為科學合理的紊流模型。

1.2.2 ?計算網(wǎng)格劃分研究

雖然現(xiàn)階段的網(wǎng)格生成技術已經(jīng)有了不錯的發(fā)展，但是仍然存在著計算方法的不足。要想實現(xiàn)流場解的全部功能就需要擁有可靠而實用的可用于復雜邊界的網(wǎng)格生成技術，由此可見，網(wǎng)格生成技術已經(jīng)成為解決應用問題的關鍵技術。在實際運用中，計算流場需要保證相當高的準確性以及一定的分辨率并且計算網(wǎng)格必須達到數(shù)萬以上的數(shù)量。為了更方便地生成計算網(wǎng)格以及提高計算流體力學的準確性，研究自動以及半自動的生成網(wǎng)格的計算方法也就成了關鍵。

2 ? 風力滅火機的研究現(xiàn)狀

風力滅火機顧名思義是采用風力進行滅火的一種設備，它是通過強大的氣流降低可燃物在著火時的熱量，采用高速強制氣流吹散可燃物生成的火焰和熱量，使氣流隔斷火焰和可燃物，破壞燃燒的條件從而達到滅火的目的。發(fā)展更大功率、效率更高的風力滅火機成為了當今森林消防的新需求。我國經(jīng)過多年研究取得了不錯的成果，為風力滅火機的發(fā)展奠定了良好的理論和實踐基礎。我國以離心式、軸流式的風力滅火機為主，并對風力滅火機的研究中將仿真技術與機構(gòu)設計進行結(jié)合，同樣也取得巨大成果。

2.1 ?風力滅火機的發(fā)展歷程

風力滅火機是我國獨立自主創(chuàng)造的新型消防滅火設備，最早由郭躍增于1979年提出，并且與伊春林科院的同志們集體研究，創(chuàng)造出第一代風力滅火機。主要用到的設備有CJ85高把油鋸、3MF-4彌霧噴粉機。并在1881年量產(chǎn)小型風力滅火機，彌補了我國器具滅火便攜性的不足。國內(nèi)有多家企業(yè)和高校展開合作投入到風力滅火機的設計和制造中，1987年對風力滅火機進行仿真模擬研究中，新的6MF-A型風力滅火機滿足林業(yè)部的各項指標，達到世界領先水平。我國最初研制的滅火機多是手持式的，但火災現(xiàn)場林地復雜攜帶十分不便。為了解決這一問題，經(jīng)過研究與設計研制出了新的背負式伸縮風筒滅火機——6SB-C風力滅火機，新型風力滅火機操作簡便、質(zhì)量輕、風速高，便于消防隊員攜帶，使其更加方便的應用于滅火中，在功能的改進中，將噴氣改造成噴水、噴化學滅火劑等。

2.2 ?風力滅火機的設計模擬與實驗研究

運用計算機流體力學是研制新型滅火機方法其中之一，運用模擬技術模擬風力滅火機的流場并用CFD進行分析，借助于流體力學、三維結(jié)構(gòu)建模等技術使得仿真精確度得到提高。早在1987年，浙江大學就對其出口流場進行了流體模擬使得滅火機的性能得到了很大的提升。南京森林警察學院對內(nèi)部氣流進行了分析和研究。眾多高校采用CFD對其進行的模擬，在一定程度上推動了模擬軟件在風力滅火機中的應用。但是，模擬具有一定的誤差，還需要根據(jù)實驗來驗證是否正確。黑龍江森保所研究的檢測平臺能夠?qū)υO備的關鍵技術進行測試。

3 ? 風力滅火機在森林消防過程中存在的問題

3.1 ?風力滅火機設計過程中消音與減震程度不足

風力滅火機主要靠高速風力滅火，滅火劑使用時常伴隨著巨大的噪聲、強烈的震動感等，會對操作人員的生理和心理產(chǎn)生很大程度的影響，降低了滅火作業(yè)的效率。當發(fā)動機產(chǎn)生的噪聲超過了80分貝時，持續(xù)的高噪聲使得消防救援人員呼吸心率加快，微血管收縮，若長時間在強噪聲環(huán)境下作業(yè)，很可能會導致消防救援人員噪聲性耳聾。風力滅火機在操作時，其發(fā)動機會產(chǎn)生強烈的震動，操作人員承受振動產(chǎn)生的能量超過自己身體所能承受的限度時，也就會引起人體的疾病。在噪聲和振動雙重作用下，加大了操作人員滅火的難度，如果風力滅火機的發(fā)動機在消音、減振上進行有效的改良優(yōu)化，將會使得風力滅火機滅火效率進一步提高并且能盡可能的保護消防救援人員。

3.2 ?傳統(tǒng)燃料作為動力源存在一定缺點

傳統(tǒng)的動力來源一般是選汽油機，風力滅火機使用的燃油一般要求是汽油與車用機油按一定的比例混合后形成的混合油。但這些混合油很難在滅火前大量儲備好，林火和草原火的發(fā)生情況緊急、時間緊迫，往往很難臨時精確地配制出混合油，導致實際使用的燃油很難嚴格按照燃油的標號和比例來混合，可能濃度過高或過低，燃油濃度往往會導致發(fā)動機出現(xiàn)問題，以致風力滅火機在使用中容易出現(xiàn)抱缸或者火花塞粘連等故障，導致滅火機出現(xiàn)暫時熄火或者停止工作，嚴重影響滅火進度。如果滅火持續(xù)時間延長，燃油消耗量大，后續(xù)燃油也難以持續(xù)供應，影響滅火效果。

3.3 ?質(zhì)量參差不齊

國內(nèi)有些風力滅火機的質(zhì)量較差，在使用過程中故障發(fā)生率遠高于平均水平，在滅火過程中因不能及時修理影響滅火工作造成了更大的損失。如果火災發(fā)生在山高林密、道路條件差的偏遠林區(qū)，有些風力滅火機在運送中，經(jīng)歷長時間的顛簸之后，造成啟動困難，必須經(jīng)過反復調(diào)試，才能正常使用，這也會降低滅火的效率和效果。風力滅火機工作時的效率受到包括人為在內(nèi)的很多因素的影響，造成風力滅火機的風速、風壓不能大幅度提髙，在撲滅大火時，滅火速度和效率明顯不足。此外，有些風力滅火機的機型結(jié)構(gòu)不合理，例如油箱設計的較小，不能裝備足夠一次滅火的燃油，導致工作時間短，有時會出現(xiàn)火還沒完全熄滅但機器已經(jīng)沒有足夠的燃油繼續(xù)工作、油箱注口位置不便于加油的現(xiàn)象，導致燃料浪費，滅火效率降低，油箱焊接處容易開裂漏油，油箱蓋內(nèi)的橡膠密封圈容易脫落而造成漏油，電線暴露在機器外側(cè)等情況發(fā)生;在森林里容易被樹枝掛斷，啟動繩容易從繩輪上脫離，啟動彈簧反復拉動之后，彈力變小，導致啟動繩不能正常工作等等。

3.4 ?難以維修和保養(yǎng)

目前的風力滅火機的維修和保養(yǎng)難度較大且成本較高，由于設計問題或操作不當導致滅火機發(fā)生損壞時，需要盡快找出發(fā)生故障的位置和原因，因此在滅火時，不能僅僅由會使用滅火機的工作人員前往滅火，往往需要同時配合懂得滅火機原理和操作的專業(yè)技術人員，這就大大增加了成本。且在滅火過程中發(fā)生的故障不可預見，這就涉及是否要專業(yè)技術人員陪同前往，以及是否需要攜帶專用的修理工具等問題，如果修理時間較長或者不能現(xiàn)場解決，則需另派一輛風力滅火機前來救援，這大大增加了滅火成本，也影響了滅火的效率和效果，帶來較大的經(jīng)濟損失和設備損失。

4 ? 風力滅火機在森林消防中的發(fā)展趨勢

4.1 ?電動化在風力滅火機中的應用

風力滅火機在最初采用的驅(qū)動方式是小型的柴油機，這種驅(qū)動方式存在噪聲大、磨損快、廢氣無法處理等缺點;得益于能源技術的發(fā)展，電動機以及電池逐漸代替了柴油機作為了主流的動力源。采用以上兩種電源的優(yōu)點在于：體積小、無噪音等，采用電動機作為風力滅火機還具有節(jié)能環(huán)保的特點。雖然兩者都具有一定的優(yōu)點，但是如果采用電池供電的話，需要源源不斷的電能供給，鑒于目前電池技術的發(fā)展，還無法做到大功率、大電能的貯備。相比于電池供電，電機供電方式具有它獨特的優(yōu)點，例如電機的強度大，能夠降低操作過程中的損壞，而且它能夠源源不斷地供給電能來滿足長時間的電能供給。對于兩者的優(yōu)缺點，采用電機供電是較為安全、穩(wěn)定的。

4.2 ?研發(fā)新型風力滅火機，增強環(huán)境適應性

以往的傳統(tǒng)風力滅火機往往因惡劣自然環(huán)境對其使用效果影響較大，例如火災發(fā)生區(qū)地點偏僻，難以規(guī)劃出一個適合滅火機行駛的路徑，往往會導致滅火機速度減慢，甚至在行駛過程中出現(xiàn)拋錨現(xiàn)象，大大耽誤滅火進度。未來會大力發(fā)展諸如履帶式滅火機，我國的林間履帶行走機構(gòu)開始趨于小型化發(fā)展，多選用緊湊的焊接整體式車架的履帶行走機構(gòu)，具有整體尺寸小、設備重心低、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好、作業(yè)機動靈活、剛性好等優(yōu)點，這種履帶行走機構(gòu)在大中小型林場工作中都具有較大優(yōu)勢。本設計中的履帶行走機構(gòu)，在滿足功率的情況下的盡可能縮小外形尺寸，并且放棄了傳統(tǒng)的“倒梯形”結(jié)構(gòu)設計，采用三角式的輪系布置設計。

4.3 ?新技術的應用以及多功能發(fā)展

未來，將會有更多的新技術應用到風力滅火機中，例如運用GPS和GIS可以準確定位火災發(fā)生的具體地點，以便通過最佳路徑更加迅速準確地到達火災發(fā)生地點，既提高了滅火效率，減少損失，又提升了風力滅火機的利用率。在風力滅火機上安裝攝像頭、紅外線等現(xiàn)代通信技術，可以更迅速地溝通，提高滅火效率。此外，隨著材料技術的發(fā)展，風力滅火機將采用更加先進的耐高溫及防輻射材料，加強風力滅火機的適用能力，改善自身性能，延長風力滅火機的使用壽命。此外，未來的風力滅火機不僅僅具有滅火功能，還將發(fā)展更多功能，例如重力運載、路障清除、森林通信、視頻圖片傳輸?shù)鹊取?/p>

5 ? 流體模擬技術在水泵設計中的影響意義

采用CFD對流體在流動過程中的狀態(tài)模擬，首先需要對結(jié)構(gòu)建立三維的模型，一般為了保證模型導進CFD軟件時不發(fā)生錯誤將其保存成iges或者igs的格式較為妥當。當幾何模型導入分析軟件后，要進行體的選擇，其目的是告訴軟件導入的結(jié)構(gòu)是體而不是面，對導入的幾何模型重新生成，然后選擇單位為mm，并對進出口進行in以及out的設定等等，前期的設計完成后我們就要對生成的體進行網(wǎng)格劃分。簡單來說，就是將一個比較大的結(jié)構(gòu)劃分成幾萬、幾十萬甚至上百萬個連續(xù)的體結(jié)構(gòu)，因為水泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，所以在進行網(wǎng)格劃分的過程中還要選擇體的形式，例如：四面體、六面體、八面體等等，網(wǎng)格越是小，所需的時間就要越長，但是網(wǎng)格劃分的精細對于計算的結(jié)果就會更加的準確。

對于一般的結(jié)構(gòu)我們在網(wǎng)格劃分的過程中采用整體劃分就能滿足模擬的需要，但是，有些較為復雜的結(jié)構(gòu)還應該采用分塊劃分來使其結(jié)果更加準確。我們知道水泵的葉輪的流道十分復雜，而且模擬流道中水的運動是模擬的核心技術，所以要對其進行分塊劃分。簡單來說，我們在三維圖形的繪制完成后，所得到的裝配體是由一個個小的零件組成，在分塊劃分網(wǎng)格的過程中是將這些零件單獨劃分，重要的零件要進行細化，而有些不重要的零件在滿足設計要求時，網(wǎng)格也不宜過小，網(wǎng)格越小劃分的時間就越長，不僅費時而且還降低了工作效率。在對每一個體進行劃分時還需要考慮到體與體之間共面的問題，以防發(fā)生干涉。

分塊劃分網(wǎng)格是較為廣泛、普遍的網(wǎng)格劃分方法，分塊劃分網(wǎng)格具有很多的優(yōu)點，例如：（1）將復雜的幾何體拆分為多個簡單的幾何體，能夠較為方便的生成我們所需要的網(wǎng)格，而且這種拆分有利于網(wǎng)格的劃分，使其變得簡單。（2）分塊劃分，能夠兼顧到不同零件的具體要求，不同的零件可以具有不同的網(wǎng)格大小，可以疏密相間。（3）分塊劃分是處理不規(guī)則區(qū)域邊界問題的一種重要方法。但是，分塊劃分也有自身的局限性，在進行復雜區(qū)域的劃分時，也有一定的局限性，而且相鄰的塊之間耦合方式的不同極有可能在進行計算的過程中產(chǎn)生錯誤。

6 ? 結(jié)語

將CFD流體模擬技術應用于風力滅火機和水泵中是目前較為熱門的一項技術，但是，流體模擬的結(jié)果只能作為一個參考而不能作為實際結(jié)果存在，在實際的設計中，流體模擬技術可作為設計過程中的重要的輔助工具之一。與此同時，還需要根據(jù)以往設計的經(jīng)驗來分析理論模擬和實際設計之間的差距。

本文旨在指出CFD與風力滅火機及水泵的研究意義以及相對于其他研究方式的優(yōu)劣勢。流體模擬技術具有理論性強、數(shù)據(jù)準確、結(jié)果直觀等諸多優(yōu)點，美中不足的是不能直接適應實際的研究，但對實際研究具有指導意義。風力滅火機以及水泵在森林消防中地位不可撼動，流體模擬技術可以模擬空氣流體以及水流體，同時滿足風力滅火機以及水泵的研究需要，為研發(fā)性能更好的風力滅火機和水泵提供了可行性方案。

作者簡介：

劉至睿（1997.10.21-），男，大學本科，廣西柳州人，研究方向：風力滅火機。

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