火灾与电磁波的相互作用在灭火救援与火灾控制中的应用

杨华

摘 要：等够影响到电子波的因素有很多，如果电磁波作为信号传输，那么要求相当高，不能够有出错，如果是作为能量传输，那么久需要尽可能的减少信号损失。而燃烧过程以及燃烧过程中的相关产物与电磁波的传播存在相互作用与相互影响。本文基于对前人研究成果的分析研究的基础上，分别从燃烧过程对电磁波的传播产生的影响以及电磁波对燃烧过程产生作用两个不同角度，对火灾与电磁波的相互作用在灭火救援和火灾控制中的几种可能的应用进行了分析。

关键词：电磁波 灭火救援 火灾控制

中图分类号：TU892文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

能影响电磁的因素非常多，如果作为信号传输，要求很高，不能出错。如果作为能量传输，那么就要求消耗要少。

油包括食用油，工业用油包括作为燃料用，机器用，还有很多用途。根据油的作用方式，对电磁波的传输的速度，能量，方向都有一些影响。

火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。燃烧现象是发生在燃料与氧气之间的伴随有发光发热现象的剧烈放热反应。完全燃烧的产物主要为CO2、H2O等稳定状态的产物，但是通常情况下这类反应完全的燃烧现象在火灾中并不常见。不完全燃烧的化学反应过程非常复杂，通常产物包括CO、H2和碳颗粒等。火焰是燃烧过程的可见区域。实际的燃烧化学反应主要在位于火焰发光区域边缘的主反应区内进行。室内火灾的火焰为扩散火焰，氧气扩散进入燃烧区域后迅速被消耗掉。空气湍流运动加速了反应物的混合，增加了火焰面的面积。目前被普遍认可的两种火焰电离机理为化学电离和热电离[1]。室内火灾的燃烧过程，同时包括了这两种电离机理。正是燃烧过程中由化学电离和热电离过程产生的大量电离产物，对经过燃烧区域的电磁波存在衰减和散射作用。燃烧过程与电磁波之间的作用是相互的，不仅燃烧过程对电磁波的传播会产生影响，同时电磁波在某种条件下也可以对燃烧过程产生作用。因此，本文从以上两个不同角度对火灾与电磁波的相互作用对灭火救援和火灾控制所产生的各种影响进行分析。

1 火灾作为干扰源——对无线通信网络的影响

目前灭火救援过程中，无线通信设备是主要的火场通讯工具。目前使用较广泛的无线通信技术的所在频段均可受到燃烧过程的影响，如2.4GHz频段的Zigbee，蓝牙，HomeRF，MESH，微蜂窝技术和5GHz频段的IEEE802.11a和HyperLANZ等。探究火灾环境下火焰及烟气对于无线信号传输特性的影响具有一定的必要性。以消防员火场地位系统最常用的Zigbee技术为例，在存在火灾干扰的情况下，无线通信传感网络由于火灾的干扰无法正常有效的传输信息。如图1、图2所示的情况下，关键连通区域或狭长封闭空间发生火灾时，无线传输网络将受到火灾的影响。在这种情况下，消防员火场定位系统和消防救援人员在火场内作战通讯使用的单兵无线通信设备等均会受到火灾的影响。

针对灌木林火对无线通信信号造成衰减的机理， M. Jacob等人对森林植被火焰中电离产生的电子浓度和碰撞频率进行了研究[2]。虽然上述研究对火灾对于无线通信信号的影响进行了研究，但是主要针对林地植物燃烧的小尺寸火焰以及开敞空间中林地植物生物质燃烧进行研究。对于建筑物内部发生火灾时无线传输网络受到火灾的影响进行研究十分必要。

图1 关键连通区域火灾对无线传输网络的影响

图2 狭长封闭空间火灾对无线传输网络的影响

2 火灾作为被探测物——电磁波火灾探测器的应用

C. J. Coleman和J. A. Boan通过基尔霍夫积分法给出了火焰对于1GHz以下的无线信号传输的影响的模拟计算方法[3]。在火焰与无线信号传输的相互作用的数值模拟方面，有限差分时域方法（FDTD）得到了比较广泛的应用。该方法最早由K. S. Yee[4]提出，其模型基础就是电动力学中最基本的麦克斯韦方程。J. L. Young[5]和S. A Cummer等人应用有限差分时域方法对电磁波通过冷等离子体进行了研究。随着有限差分时域方法算法的不断改进，该方法已经被广泛的应用于传感网络的信号传输模拟研究中。基于以上理论模型的研究，可以清楚的看到电磁波传播经过火焰时会发生一定的变化。

3 电磁波作为灭火工具——电磁波灭火器的构想

火灾与电磁波的作用是相互的，火灾对电磁波传播产生影响的同时，强电磁波产生的电子束也可以改变火焰中电离产物以及烟尘颗粒的方向，从而产生气流来削弱火焰的强度，使火焰发生扭曲、闪烁，当产生的电流足够大时，可在短时间内将火焰熄灭。电磁波灭火器是基于这一原理研制的一种新型的灭火设备，它利用粒子学原理来对火势进行控制，以此来降低火焰的强度；这种技术还能应用于建筑物天花板上的“电子喷头”，可以让其在发生火灾时第一时间对火势进行报警和控制。目前这种灭火器在封闭空间内使用较有效，但对于油罐火灾等大型火灾，仍然无法取代传统灭火剂的灭火效果。同时，电磁波灭火的机理也尚未完全搞清。相对于水、泡沫、干粉等传统灭火剂，电磁波不会对设备、物品等产生覆盖，不会由于二次损伤造成不必要的损失。这种技术如果能作为固定灭火设施应用于建筑内，将可以十分便利的在第一时间内对火势进行控制。同时，作为灭火战斗人员，也可以配备此类电磁波灭火器进行远距离灭火。

4 结语

无线传感通信信号在火灾环境下的传播行为是一个崭新的研究领域。对于普通无线设备而言，火灾环境是一种特殊工作环境，在火灾环境下工作的时间和机率不高；但是，对于无线火灾防控设备而言，火灾环境就是其工作环境。网络化、智能化的火场指挥、通信设备及系统，以及固定火灾防控设施及系统，需要在火灾环境下保证其信号传输的准确无误，因此对火灾环境下的无线信号传输提出了现实要求。然而，目前国内外针对室内环境中烟气及火焰对于无线信号传输的影响以及无线信号在室内火灾环境下传播特性的研究仍然较少，并处于初步研究的阶段。因此室内环境中烟气及火焰对于无线信号传输影响的研究，亟待进一步深入开展。

[1] E. S. Semenov， A. S. Sokolik. Thermal and chemical ionization in flames [J]. Combustion， Explosion and Shock Waves， 6（1）： 37， 1970.

[2] Mohan Jacob， Mal Heron， KgakgamatsoMphale. Prediction and measurement of electron density and collision frequency in a weakly ionised pine fire [J]. International Journal of Infrared and Millimetre Waves， 28： 251–262， 2007.

[3] C. J. Coleman， J. A. Boan. A Kirchhoff integral approach to radio wave propagation in fire [C]. Honolulu ： IEEE Antennas and Propagation Symposium， 2007.

[4]Kane S. Yee. Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwells equations in isotropic media [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 14（3）： 302– 307， 1966. The first and readily quoted article on the FDTD Method， Yee Cell.

[5]J. L. Young. A full finite difference time domain implementation for radio wave propagation in a plasma [J]. Radio Science， 29（6）：1513， 1994.