一种用于消防水炮射流落点的确定方法技术

本发明专利技术属于消防的技术领域，公开了一种用于消防水炮射流落点的确定方法，包括以下步骤：步骤一、根据消防水炮的射流初速度、射流初始俯仰角以及风速，建立射流的二维运动轨迹模型函数；步骤二、分别依次计算射流在核心区、破碎区和雾化区的每个时间步长Δt内的速度VΔti、空气阻力FΔt和风阻力的X轴分量(fΔt)x、Y轴分量(fΔt)y，并代入射流的二维运动轨迹模型函数，得到射流的每个时间步长Δt的运动轨迹，依次进行累加即可得到射流的整个运动轨迹；步骤三、根据消防水炮的射流初速度、射流初始俯仰角以及风速的浮动范围时，利用灰度算法，重复步骤二，即可计算得到射流落点以及运动轨迹的范围。本发明专利技术可以真实的模拟射流的变化，具有更强的适应性和实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于消防水炮射流落点的确定方法
本专利技术属于消防的
，具体涉及一种用于消防水炮射流落点的确定方法。
技术介绍
目前，国内对于射流落点预测和射流稳定性分析起步较晚，关于消防水射流轨迹和落点精度分析尚不多见。在相同参数下，不同结构消防炮的性能也不尽相同，造成射流能量的损失也有差别；相同功率下，消防炮流道内流场的不同，会导致炮口射流的流量、压力和初速度的大小产生浮动，而射流的初速度对射流轨迹及射流落点有着重要的影响，而且射流在运动过程中，由于空气阻力、表面张力和粘性力等作用下，射流表面极不稳定，液体会连续的发生分裂、破碎甚至雾化，导致射流截面积增大，所受阻力大小发生变化，进而影响射流速度；再则射流在空气运动中的阻力系数与雷诺数、摩擦系数和涡流阻力系数等无量纲系数相关，而其本质是与射流速度有关，而且不同速度下的雷诺数等系数大小不等。因此，在预测消防炮射流落点时，如果不考虑消防炮内部流场与射流初速度、速度与射流截面积、射流截面积与阻力、速度与阻力系数和阻力与速度之间的相互作用和影响，会导致射流轨迹和射流落点的预估误差较大，但如果仅按照空气阻力与速度呈平方关系或者空气阻力与射流轨迹线长的方程式来预测，由于射流截面积和空气阻力系数数值的不稳定性和射流破碎特性，精确的预测射流落点的位置比较困难，此问题会直接影响到灭火的效率以及智能化消防炮的发展。因此，如何精确地预测消防水炮射流落点的范围和灭火面积成为亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于消防水炮射流落点的确定方法，解决了现有消防水炮的射流轨迹和射流落点的预估误差大等问题。本专利技术可通过以下技术方案实现：一种用于消防水炮射流落点的确定方法，包括以下步骤：步骤一、根据消防水炮的射流初速度、射流初始俯仰角以及风速，建立射流的二维运动轨迹模型函数；步骤二、分别依次计算射流在核心区、破碎区和雾化区的每个时间步长Δt内的速度VΔti、空气阻力FΔt和风阻力的X轴分量(fΔt)x、Y轴分量(fΔt)y，并代入射流的二维运动轨迹模型函数，得到射流的每个时间步长Δt的运动轨迹，依次进行累加即可得到射流的整个运动轨迹；步骤三、根据消防水炮的射流初速度、射流初始俯仰角以及风速的浮动范围时，利用灰度算法，重复步骤二，即可计算得到射流落点以及运动轨迹的范围。本专利技术的方法基于灰度算法、破碎理论以及空气动力学，可以真实的模拟射流的变化，具有更强的适应性和实用性。进一步，所述步骤二的计算方法包括以下步骤：步骤Ⅰ、依次将每个时间步长Δt内射流的二维运动轨迹的直线段长度进行累加，获得总和L，若所述总和L不大于核心区内射流的实际弧长Lc，则射流处于核心区，执行步骤Ⅱ，否则射流处于破碎区，执行步骤Ⅲ；步骤Ⅱ、按照核心区计算方法，获得射流的核心区运动轨迹；步骤Ⅲ、计算每个时间步长Δt内的无量纲系数Je，若所述无量纲系数Je大于一，则射流处于破碎区，执行步骤Ⅳ，否则处于雾化区，执行步骤Ⅴ；步骤Ⅳ、按照破碎区计算方法，获得射流的破碎区运动轨迹；步骤Ⅴ、按照雾化区计算方法，获得射流的雾化区运动轨迹。对射流的整个过程进行分区处理，为精确估算射流的落点和运动轨迹提供运算基础。进一步，所述步骤Ⅱ的核心区计算方法包括以下步骤：假设一个时间步长Δt内的射流为一个水滴，所述水滴的初始横截面积为消防水炮喷嘴的横截面积A0，初始速度为消防水炮的喷出速度V0，初始俯仰角度为消防水炮喷嘴的俯仰角度β0，在核心区内，所述水滴不发生破碎，其横截面积保持初始横截面积A0不变；步骤ⅰ、利用如下方程式，计算每个时间步长Δt的射流所受到的空气阻力FΔt和风阻力的X轴分量(fΔt)x、Y轴分量(fΔt)y，以及速度VΔti的X轴分量(VΔti)x、Y轴分量(VΔti)y，进而计算得到速度VΔti；其中，Δti表示第i个时间步长，ρg表示空气的密度，AΔti表示水滴的横截面积即为初始横截面积A0，UΔti表示水滴的速度VΔti与风速v的相对速度，CD＝λ+CDi表示空气阻力系数，Rew＝ρwUr/μ表示水的雷诺数，μ表示水的粘度，r表示水滴的半径；其中，AΔti表示水滴的横截面积即为初始横截面积A0，vx表示风速的X轴分量，vy表示风速的Y轴分量，Δti表示第i个时间步长；其中，m表示水滴的质量，符号±表示顺风或逆风的风阻力方向，Δti表示第i个时间步长；步骤ⅱ、将所述步骤ⅰ计算得到的速度VΔti、空气阻力FΔt和风阻力的X轴分量(fΔt)x、Y轴分量(fΔt)y，并代入射流的二维运动轨迹模型函数，得到射流的雾化区内每个时间步长Δt的运动轨迹，依次进行累加即可得到核心区内射流的运动轨迹。进一步，所述步骤Ⅰ中的实际弧长Lc通过如下方程式计算得到其中，表示消防水炮的喷嘴出口的韦伯数，σ表示水的表面张力，d表示喷嘴横截面的直径，u0为水滴的初始速度V0，ρw表示水的密度。进一步，所述步骤Ⅳ的破碎区计算方法包括以下步骤：假设一个时间步长Δt内的射流为一个水滴，在破碎区内，由一个水滴破碎为两个水滴，其半径分别为rb、rc，所述水滴的初始横截面积为消防水炮喷嘴的横截面积A0；步骤①、利用如下方程式，计算破碎后最终的总横截面积Aτ和破碎过程所经历的总时间τwave；其中，表示Ohnesorge数，ρw表示水的密度，Wew＝ρwU2r/σ表示水的韦伯数，Rew＝ρwUr/μ表示水的雷诺数，表示泰勒数，Weg表示空气的韦伯数，σ表示水的表面张力，B0表示一个等于0.61的常数，r表示水滴的半径；其中，r表示水滴的半径，B1表示一个常数，步骤②、利用如下方程式，计算破碎区内水滴的横截面积破碎率，即可得到每个时间步长Δt的水滴的横截面积变化；步骤③、利用如下方程式，计算每个时间步长Δt的射流所受到的空气阻力FΔt和风阻力的X轴分量(fΔt)x、Y轴分量(fΔt)y，以及速度VΔti的X轴分量(VΔti)x、Y轴分量(VΔti)y，进而计算得到速度VΔti；其中，Δti表示第i个时间步长，ρg表示空气的密度，AΔti＝A0+ΔA表示水滴的横截面积，UΔt表示水滴的速度与风速的相对速度，CD＝λ+CDi表示空气阻力系数，Rew＝ρwUr/μ表示水的雷诺数，μ表示水的粘度，r表示水滴的半径；其中，AΔti表示水滴的横截面积，vx表示风速的X轴分量，vy表示风速的Y轴分量，Δti表示第i个时间步长；其中，m表示水滴的质量，符号±表示顺风或逆风的风阻力方向，Δti表示第i个时间步长；步骤④、将所述步骤③计算得到的速度VΔti、空气阻力FΔti和风阻力的X轴分量(fΔti)x、Y轴分量(fΔti)y，并代入射流的二维运动轨迹模型函数，得到射流的雾化区内每个时间步长Δt的运动轨迹，依次进行累加即可得到破碎区内射流的运动轨迹。进一步，所述步骤Ⅲ的无量纲系数Je通过如下方程式计算得到其中，σ表示水的表面张力，d表示消防水炮的喷嘴横截面的直径，UΔti表示水滴的速度VΔti与风速v的相对速度，ρg表示空气的密度。进一步，所述步骤Ⅴ的破碎区计算方法包括以下步骤：假设一个时间步长Δt内的射流为一个水滴，在雾化区内，所述水滴的横截面积为破碎最终的总横截面积Aτ且保持不变；步骤⑴、利用如下方程式，计算每个时间步长Δt的射流所受到的空气阻力FΔt和风阻力的X轴分量(fΔt本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于消防水炮射流落点的确定方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、根据消防水炮的射流初速度、射流初始俯仰角以及风速，建立射流的二维运动轨迹模型函数；步骤二、分别依次计算射流在核心区、破碎区和雾化区的每个时间步长Δt内的速度VΔti、空气阻力FΔt和风阻力的X轴分量(fΔt)x、Y轴分量(fΔt)y，并代入射流的二维运动轨迹模型函数，得到射流的每个时间步长Δt的运动轨迹，依次进行累加即可得到射流的整个运动轨迹；步骤三、根据消防水炮的射流初速度、射流初始俯仰角以及风速的浮动范围时，利用灰度算法，重复步骤二，即可计算得到射流落点以及运动轨迹的范围。

【技术特征摘要】
1.一种用于消防水炮射流落点的确定方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、根据消防水炮的射流初速度、射流初始俯仰角以及风速，建立射流的二维运动轨迹模型函数；步骤二、分别依次计算射流在核心区、破碎区和雾化区的每个时间步长Δt内的速度VΔti、空气阻力FΔt和风阻力的X轴分量(fΔt)x、Y轴分量(fΔt)y，并代入射流的二维运动轨迹模型函数，得到射流的每个时间步长Δt的运动轨迹，依次进行累加即可得到射流的整个运动轨迹；步骤三、根据消防水炮的射流初速度、射流初始俯仰角以及风速的浮动范围时，利用灰度算法，重复步骤二，即可计算得到射流落点以及运动轨迹的范围。2.根据权利要求1所述的用于消防水炮射流落点的确定方法，其特征在于所述步骤二的计算方法包括以下步骤：步骤Ⅰ、依次将每个时间步长Δt内射流的二维运动轨迹的直线段长度进行累加，获得总和L，若所述总和L不大于核心区内射流的实际弧长Lc，则射流处于核心区，执行步骤Ⅱ，否则射流处于破碎区，执行步骤Ⅲ；步骤Ⅱ、按照核心区计算方法，获得射流的核心区运动轨迹；步骤Ⅲ、计算每个时间步长Δt内的无量纲系数Je，若所述无量纲系数Je大于一，则射流处于破碎区，执行步骤Ⅳ，否则处于雾化区，执行步骤Ⅴ；步骤Ⅳ、按照破碎区计算方法，获得射流的破碎区运动轨迹；步骤Ⅴ、按照雾化区计算方法，获得射流的雾化区运动轨迹。3.根据权利要求2所述的用于消防水炮射流落点的确定方法，其特征在于所述步骤Ⅱ的核心区计算方法包括以下步骤：假设一个时间步长Δt内的射流为一个水滴，所述水滴的初始横截面积为消防水炮喷嘴的横截面积A0，初始速度为消防水炮的喷出速度V0，初始俯仰角度为消防水炮喷嘴的俯仰角度β0，在核心区内，所述水滴不发生破碎，其横截面积保持初始横截面积A0不变；步骤ⅰ、利用如下方程式，计算每个时间步长Δt的射流所受到的空气阻力FΔti和风阻力的X轴分量(fΔti)x、Y轴分量(fΔti)y，以及速度VΔti的X轴分量(VΔti)x、Y轴分量(VΔti)y，进而计算得到速度VΔti；其中，Δti表示第i个时间步长，ρg表示空气的密度，AΔti表示水滴的横截面积即为初始横截面积A0，UΔti表示水滴的速度VΔti与风速v的相对速度，CD＝λ+CDi表示空气阻力系数，Rew＝ρwUr/μ表示水的雷诺数，μ表示水的粘度，r表示水滴的半径；其中，AΔti表示水滴的横截面积即为初始横截面积A0，vx表示风速的X轴分量，vy表示风速的Y轴分量，Δti表示第i个时间步长；其中，m表示水滴的质量，符号±表示顺风或逆风的风阻力方向，Δti表示第i个时间步长；步骤ⅱ、将所述步骤ⅰ计算得到的速度VΔti、空气阻力FΔt和风阻力的X轴分量(fΔt)x、Y轴分量(fΔt)y，并代入射流的二维运动轨迹模型函数，得到射流的雾化区内每个时间步长Δt的运动轨迹，依次进行累加即可得到核心区内射流的运动轨迹。4.根据权利要求3所述的用于消防水炮射流落点的确定方法，其特征在于：所述步骤Ⅰ中的实际弧长Lc通过如下方程式计算得到其中，表示消防水炮的喷嘴出口的韦伯数，σ表示水的表面张力，d表示喷嘴横截面的直径，u0为水滴的初始速度V0，ρw表示水的密度。5.根据权利要求2所述的用于消防水炮射流落点的确定方法，其特征在于所述步骤Ⅳ的破碎区计算方法包括以下步骤：假设一个时间步长Δt内的射流为一个水滴，在破碎区内，由一个水滴破碎为两个水滴，其半径分别为rb、rc，所述水滴的初始横截面积为消防水炮喷嘴的横截面积A0；步骤①、...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘新田，张明辉，梁志强，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31