CFD在风力灭火机和水泵研究中应用的综述

刘至睿 仇玄江 王星宇 戴语煊

摘要：森林火灾是一种常见的自然灾害，凡是有森林的地方就会出现森林火灾。据相关部门统计，全球每年发生大大小小的森林火灾高达20余万次，因火灾而毁掉的森林占全球森林总面积的1%。我国森林覆盖面积相对于全球森林覆盖面积并不高，平均每年发生1万起以上的森林火灾，森林烧毁面积占到全球森林烧毁面积的50%以上。随着时代的发展，经过不断升级、优化、改造消防设施设备，在1987年大兴安岭特大森林火灾中，我国最主要的灭火装备是水泵和风力灭火机，这些设备在当时救灾灭火工作中发挥着重要作用。如何对于防火灭火设备进行革新以及优化成为了现阶段的研究热点，改进原有设备设计和技术对于提高灭火效率，降低自然灾害的危害有着十分重要的作用。

关键词：CFD; 风力灭火机; 水泵

1   CFD概述

1.1  CFD的应用现状

计算流体力学简称CFD，是越来越被科研界广泛关注的课题方向，现如今，计算流体力学已经从最初的定性分析朝着定量计算的方向上发展，计算流体力学已经成为了CFD工作系统的重要组成部分。利用专业计算软件对于流体力学问题进行数值实验有助于充分认识到流体的流动规律，为评价以及选择设计方案提供了诸多的便利。数值实验可以大幅度减少相对应的实体实验的工作量，充分提高数值实验的工作效率以及设计方案的科学性。

目前，在物理模型、计算方法以及网格技术上，计算流体力学都取得了不错的进展。高精度格式方法是现如今在计算方法上的研究热点，阶数一般在三阶以上，其中最为常见的就是对于紧致格式的研究。紧致格式已经成为比较成熟的专业理论。计算方法涉及诸多领域知识，主要包括拉格朗日方法、时空守恒元方法、谱方法已经涉及带限制器的高阶插值等。传统的计算流体力学更是和基因算法緊密结合起来，新的计算方法在最优化涉及以及域分裂等领域都有着很好的发展前景。混合网格技术、分块网络技术以及网格和流动特性的相容性都是现如今网格技术方面的研究重点。对于复杂几何形状或者并行类的流体计算，分块网格是重要的处理问题方法。混合网格技术有两个部分组成，分别是矩形网格以及非结构性网格。在物理模型方面，Euler以及NS方程仍然是最常采用的流动方程。

1.2  CFD应用的关键问题

1.2.1  具体应用的数学模型

N-S方程是最为经常采用的描述一般流动方程的基本方法，但是考虑到计算机有着容量以及计算速度上的限制以及在实际工程中没有直接求解的必要，所以在采用N-S方程求解问题的过程中都是先进行方程的简单化处理然后再进行求解。具体的方程简化方法主要分为三种：

（1）线性、无粘处理。线性无粘处理方法是早期广泛应用而现如今已经走向成熟的经典方法，Panel方法是其中最为典型的方法，但是线性无粘处理方法在处理存在分离流动的区域的应用时存在着很大的局限性，会发生计算结果出现较大精度误差的情况。

（2）非线性、无粘处理。非线性、无粘处理方法在线性、无粘处理方法上有着很大的改进，由于对于主流的简化从而在边界层的处理上取得了更好的效果。

（3）粘性、时间平均处理。粘性、时间平均处理方法会采取时间平均的方法去处理紊流的N-S方程，在封闭控制方程组的基础之上做出假设，从而提出合理的紊流模型。

现如今，k-8模型以及二方程模型是处理紊流模型最为常用的解决方法，但是任何模型都存在着不足，迄今还不存在全能通用的紊流模型，在不同的流动环境之下需要采用最为科学合理的紊流模型。

1.2.2  计算网格划分研究

虽然现阶段的网格生成技术已经有了不错的发展，但是仍然存在着计算方法的不足。要想实现流场解的全部功能就需要拥有可靠而实用的可用于复杂边界的网格生成技术，由此可见，网格生成技术已经成为解决应用问题的关键技术。在实际运用中，计算流场需要保证相当高的准确性以及一定的分辨率并且计算网格必须达到数万以上的数量。为了更方便地生成计算网格以及提高计算流体力学的准确性，研究自动以及半自动的生成网格的计算方法也就成了关键。

2   风力灭火机的研究现状

风力灭火机顾名思义是采用风力进行灭火的一种设备，它是通过强大的气流降低可燃物在着火时的热量，采用高速强制气流吹散可燃物生成的火焰和热量，使气流隔断火焰和可燃物，破坏燃烧的条件从而达到灭火的目的。发展更大功率、效率更高的风力灭火机成为了当今森林消防的新需求。我国经过多年研究取得了不错的成果，为风力灭火机的发展奠定了良好的理论和实践基础。我国以离心式、轴流式的风力灭火机为主，并对风力灭火机的研究中将仿真技术与机构设计进行结合，同样也取得巨大成果。

2.1  风力灭火机的发展历程

风力灭火机是我国独立自主创造的新型消防灭火设备，最早由郭跃增于1979年提出，并且与伊春林科院的同志们集体研究，创造出第一代风力灭火机。主要用到的设备有CJ85高把油锯、3MF-4弥雾喷粉机。并在1881年量产小型风力灭火机，弥补了我国器具灭火便携性的不足。国内有多家企业和高校展开合作投入到风力灭火机的设计和制造中，1987年对风力灭火机进行仿真模拟研究中，新的6MF-A型风力灭火机满足林业部的各项指标，达到世界领先水平。我国最初研制的灭火机多是手持式的，但火灾现场林地复杂携带十分不便。为了解决这一问题，经过研究与设计研制出了新的背负式伸缩风筒灭火机——6SB-C风力灭火机，新型风力灭火机操作简便、质量轻、风速高，便于消防队员携带，使其更加方便的应用于灭火中，在功能的改进中，将喷气改造成喷水、喷化学灭火剂等。

2.2  风力灭火机的设计模拟与实验研究

运用计算机流体力学是研制新型灭火机方法其中之一，运用模拟技术模拟风力灭火机的流场并用CFD进行分析，借助于流体力学、三维结构建模等技术使得仿真精确度得到提高。早在1987年，浙江大学就对其出口流场进行了流体模拟使得灭火机的性能得到了很大的提升。南京森林警察学院对内部气流进行了分析和研究。众多高校采用CFD对其进行的模拟，在一定程度上推动了模拟软件在风力灭火机中的应用。但是，模拟具有一定的误差，还需要根据实验来验证是否正确。黑龙江森保所研究的检测平台能够对设备的关键技术进行测试。

3   风力灭火机在森林消防过程中存在的问题

3.1  风力灭火机设计过程中消音与减震程度不足

风力灭火机主要靠高速风力灭火，灭火剂使用时常伴随着巨大的噪声、强烈的震动感等，会对操作人员的生理和心理产生很大程度的影响，降低了灭火作业的效率。当发动机产生的噪声超过了80分贝时，持续的高噪声使得消防救援人员呼吸心率加快，微血管收缩，若长时间在强噪声环境下作业，很可能会导致消防救援人员噪声性耳聋。风力灭火机在操作时，其发动机会产生强烈的震动，操作人员承受振动产生的能量超过自己身体所能承受的限度时，也就会引起人体的疾病。在噪声和振动双重作用下，加大了操作人员灭火的难度，如果风力灭火机的发动机在消音、减振上进行有效的改良优化，将会使得风力灭火机灭火效率进一步提高并且能尽可能的保护消防救援人员。

3.2  传统燃料作为动力源存在一定缺点

传统的动力来源一般是选汽油机，风力灭火机使用的燃油一般要求是汽油与车用机油按一定的比例混合后形成的混合油。但这些混合油很难在灭火前大量储备好，林火和草原火的发生情况紧急、时间紧迫，往往很难临时精确地配制出混合油，导致实际使用的燃油很难严格按照燃油的标号和比例来混合，可能浓度过高或过低，燃油浓度往往会导致发动机出现问题，以致风力灭火机在使用中容易出现抱缸或者火花塞粘连等故障，导致灭火机出现暂时熄火或者停止工作，严重影响灭火进度。如果灭火持续时间延长，燃油消耗量大，后续燃油也难以持续供应，影响灭火效果。

3.3  质量参差不齐

国内有些风力灭火机的质量较差，在使用过程中故障发生率远高于平均水平，在灭火过程中因不能及时修理影响灭火工作造成了更大的损失。如果火灾发生在山高林密、道路条件差的偏远林区，有些風力灭火机在运送中，经历长时间的颠簸之后，造成启动困难，必须经过反复调试，才能正常使用，这也会降低灭火的效率和效果。风力灭火机工作时的效率受到包括人为在内的很多因素的影响，造成风力灭火机的风速、风压不能大幅度提髙，在扑灭大火时，灭火速度和效率明显不足。此外，有些风力灭火机的机型结构不合理，例如油箱设计的较小，不能装备足够一次灭火的燃油，导致工作时间短，有时会出现火还没完全熄灭但机器已经没有足够的燃油继续工作、油箱注口位置不便于加油的现象，导致燃料浪费，灭火效率降低，油箱焊接处容易开裂漏油，油箱盖内的橡胶密封圈容易脱落而造成漏油，电线暴露在机器外侧等情况发生;在森林里容易被树枝挂断，启动绳容易从绳轮上脱离，启动弹簧反复拉动之后，弹力变小，导致启动绳不能正常工作等等。

3.4  难以维修和保养

目前的风力灭火机的维修和保养难度较大且成本较高，由于设计问题或操作不当导致灭火机发生损坏时，需要尽快找出发生故障的位置和原因，因此在灭火时，不能仅仅由会使用灭火机的工作人员前往灭火，往往需要同时配合懂得灭火机原理和操作的专业技术人员，这就大大增加了成本。且在灭火过程中发生的故障不可预见，这就涉及是否要专业技术人员陪同前往，以及是否需要携带专用的修理工具等问题，如果修理时间较长或者不能现场解决，则需另派一辆风力灭火机前来救援，这大大增加了灭火成本，也影响了灭火的效率和效果，带来较大的经济损失和设备损失。

4   风力灭火机在森林消防中的发展趋势

4.1  电动化在风力灭火机中的应用

风力灭火机在最初采用的驱动方式是小型的柴油机，这种驱动方式存在噪声大、磨损快、废气无法处理等缺点;得益于能源技术的发展，电动机以及电池逐渐代替了柴油机作为了主流的动力源。采用以上两种电源的优点在于：体积小、无噪音等，采用电动机作为风力灭火机还具有节能环保的特点。虽然两者都具有一定的优点，但是如果采用电池供电的话，需要源源不断的电能供给，鉴于目前电池技术的发展，还无法做到大功率、大电能的贮备。相比于电池供电，电机供电方式具有它独特的优点，例如电机的强度大，能够降低操作过程中的损坏，而且它能够源源不断地供给电能来满足长时间的电能供给。对于两者的优缺点，采用电机供电是较为安全、稳定的。

4.2  研发新型风力灭火机，增强环境适应性

以往的传统风力灭火机往往因恶劣自然环境对其使用效果影响较大，例如火灾发生区地点偏僻，难以规划出一个适合灭火机行驶的路径，往往会导致灭火机速度减慢，甚至在行驶过程中出现抛锚现象，大大耽误灭火进度。未来会大力发展诸如履带式灭火机，我国的林间履带行走机构开始趋于小型化发展，多选用紧凑的焊接整体式车架的履带行走机构，具有整体尺寸小、设备重心低、质量轻、稳定性好、作业机动灵活、刚性好等优点，这种履带行走机构在大中小型林场工作中都具有较大优势。本设计中的履带行走机构，在满足功率的情况下的尽可能缩小外形尺寸，并且放弃了传统的“倒梯形”结构设计，采用三角式的轮系布置设计。

4.3  新技术的应用以及多功能发展

未来，将会有更多的新技术应用到风力灭火机中，例如运用GPS和GIS可以准确定位火灾发生的具体地点，以便通过最佳路径更加迅速准确地到达火灾发生地点，既提高了灭火效率，减少损失，又提升了风力灭火机的利用率。在风力灭火机上安装摄像头、红外线等现代通信技术，可以更迅速地沟通，提高灭火效率。此外，随着材料技术的发展，风力灭火机将采用更加先进的耐高温及防辐射材料，加强风力灭火机的适用能力，改善自身性能，延长风力灭火机的使用寿命。此外，未来的风力灭火机不仅仅具有灭火功能，还将发展更多功能，例如重力运载、路障清除、森林通信、视频图片传输等等。

5   流体模拟技术在水泵设计中的影响意义

采用CFD对流体在流动过程中的状态模拟，首先需要对结构建立三维的模型，一般为了保证模型导进CFD软件时不发生错误将其保存成iges或者igs的格式较为妥当。当几何模型导入分析软件后，要进行体的选择，其目的是告诉软件导入的结构是体而不是面，对导入的几何模型重新生成，然后选择单位为mm，并对进出口进行in以及out的设定等等，前期的设计完成后我们就要对生成的体进行网格划分。简单来说，就是将一个比较大的结构划分成几万、几十万甚至上百万个连续的体结构，因为水泵的内部结构较为复杂，所以在进行网格划分的过程中还要选择体的形式，例如：四面体、六面体、八面体等等，网格越是小，所需的时间就要越长，但是网格划分的精细对于计算的结果就会更加的准确。

对于一般的结构我们在网格划分的过程中采用整体划分就能满足模拟的需要，但是，有些较为复杂的结构还应该采用分块划分来使其结果更加准确。我们知道水泵的叶轮的流道十分复杂，而且模拟流道中水的运动是模拟的核心技术，所以要对其进行分块划分。简单来说，我们在三维图形的绘制完成后，所得到的装配体是由一个个小的零件组成，在分块划分网格的过程中是将这些零件单独划分，重要的零件要进行细化，而有些不重要的零件在满足设计要求时，网格也不宜过小，网格越小划分的时间就越长，不仅费时而且还降低了工作效率。在对每一个体进行划分时还需要考虑到体与体之间共面的问题，以防发生干涉。

分块划分网格是较为广泛、普遍的网格划分方法，分块划分网格具有很多的优点，例如：（1）将复杂的几何体拆分为多个简单的几何体，能够较为方便的生成我们所需要的网格，而且这种拆分有利于网格的划分，使其变得简单。（2）分块划分，能够兼顾到不同零件的具体要求，不同的零件可以具有不同的网格大小，可以疏密相间。（3）分块划分是处理不规则区域边界问题的一种重要方法。但是，分块划分也有自身的局限性，在进行复杂区域的划分时，也有一定的局限性，而且相邻的块之间耦合方式的不同极有可能在进行计算的过程中产生错误。

6   结语

将CFD流体模拟技术应用于风力灭火机和水泵中是目前较为热门的一项技术，但是，流体模拟的结果只能作为一个参考而不能作为实际结果存在，在实际的设计中，流体模拟技术可作为设计过程中的重要的辅助工具之一。与此同时，还需要根据以往设计的经验来分析理论模拟和实际设计之间的差距。

本文旨在指出CFD与风力灭火机及水泵的研究意义以及相对于其他研究方式的优劣势。流体模拟技术具有理论性强、数据准确、结果直观等诸多优点，美中不足的是不能直接适应实际的研究，但对实际研究具有指导意义。风力灭火机以及水泵在森林消防中地位不可撼动，流体模拟技术可以模拟空气流体以及水流体，同时满足风力灭火机以及水泵的研究需要，为研发性能更好的风力灭火机和水泵提供了可行性方案。

作者简介：

刘至睿（1997.10.21-），男，大学本科，广西柳州人，研究方向：风力灭火机。

參考文献：

[1]    李攀旭，王顺喜，何  鹏等.我国草原森林风力灭火机问题探讨[J].机械与设备，2007（12）：42-43.

[2]    张胜利，席德科，李华星等.多翼离心风机气动噪声的降噪[J].噪声与振动控制，2011（6）：166-170.

[3]    周  正，卢傅安，祁大同等.一种离心风机蜗壳减振降噪的数值优化方法[J].西安交通大学学报，2011，45（9）：1-7.

[4]    毛义军，祁大同，刘秋洪.基于非定常流场的离心风机气动噪声分析[J].西安交通大学学报，2005.39（9）：989-993.

[5]    刘晓良，祁大同，马健峰等，改变蜗壳宽度对离心风机气动噪声影响的数值计算与试验研究[J].西安交通大学学报，2008，42（11）：1429-1434.

[6]    蒋梅胜.喷粉式草原风力灭火机的研究[D].北京：中国农业大学，2016.