动力舱灭火剂喷射体积浓度动态仿真方法、系统及电子设备

技术领域

本发明涉及灭火仿真技术领域，尤其涉及一种动力舱灭火剂喷射体积浓度动态仿真方法、系统及电子设备。

背景技术

舱火灾是一种机理多样而又复杂的偶发事件，定型试验和小批量试验不能有效考核实车舱灭火系统的实际效能，因此灭火系统出厂试验考核的台架等性能与实体车存在较大的差异，导致灭火效果不佳。

舱火灾仿真系统可以有效的解决定型试验和小批量试验存在的问题，即利用舱火灾仿真系统能够有效考核实车舱灭火系统的实际效能，缩小灭火系统台架性能与实体车之间的差异，优化灭火效果。

舱火灾仿真系统可以包括火灾探测、灭火剂灭火以及基于舱实舱或模拟仓火灾实验数据而开展的仿真结果置信度分析等。目前，宏观尺度的Halon 1211灭火剂(二氟一氯一溴甲烷灭火剂)与火焰之间的反应抑制模型还未建立，导致现有的流体力学或者火灾仿真系统均不包含Halon 1211灭火剂的灭火模型。因此，无法获得Halon 1211灭火剂喷射灭火时体积浓度随时间变化的曲线。进而无法评估Halon 1211灭火剂的灭火效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力舱灭火剂喷射体积浓度动态仿真方法、系统及电子设备，用于获取灭火剂喷射灭火时体积浓度随时间变化的曲线，进而评估灭火剂的灭火效果。

第一方面，本发明提供一种动力舱灭火剂喷射动态仿真方法，包括：

搭建用于喷射灭火剂的喷头的几何仿真模型；

设置灭火剂的物性参数，物性参数包括分子量、分子式、密度、比热容、导热系数、扩散率、粘度和蒸发热；

设置灭火剂的喷射参数，喷射参数包括初始流程、初始压力以及射流柱类型；

设置舱内灭火剂的浓度测量点；

建立灭火剂在舱内的喷洒模型，喷洒模型包括湍流流动模型、传热模型、离散相模型、液滴粒径分布模型、液滴蒸发模型；

设定边界条件，边界条件包括出口流量边界、计算流域壁面边界和完全发展出流边界；

开展仿真计算，获得不同环境条件下灭火剂在舱内的流动扩散过程，不同环境条件包括高温高湿、低温低湿和低温低压；获得每一浓度测量点的灭火剂的体积浓度随时间的变化关系图。

与现有技术相比，本发明在现有的水的释放喷洒模型的基础上，修改完善建立灭火剂的释放喷洒模型。本发明可以基于动力舱灭火瓶/灭火系统资料，通过调研或理论计算获得灭火剂在被保护空间喷射时的初始流量或压力。采用FDS软件搭建喷头的几何仿真模型(位置、朝向)，设置灭火剂的物性参数，具体包括分子量、分子式、密度、比热容、导热系数、扩散率、粘度、蒸发热等，设置灭火剂的喷射参数，具体包括初始流量或压力、射流柱的类型等，设置灭火剂的浓度测量点，建立灭火剂在被保护空间的喷洒模型。以填补现有技术中灭火剂释放喷发模型的空白，进而实现获取灭火剂喷射灭火时体积浓度随时间变化的曲线，以及准确且有效评估灭火剂灭火效果的目的。

第二方面，本发明还提供一种动力舱灭火剂喷射动态仿真系统，包括：

几何模型搭建单元，用于搭建用于喷射灭火剂的喷头的几何仿真模型；

参数设置单元，用于设置灭火剂的物性参数，物性参数包括分子量、分子式、密度、比热容、导热系数、扩散率、粘度和蒸发热；设置灭火剂的喷射参数，喷射参数包括初始流程、初始压力以及射流柱类型；设置舱内灭火剂的浓度测量点；

喷洒模型建立单元，用于建立灭火剂在舱内的喷洒模型，喷洒模型包括湍流流动模型、传热模型、离散相模型、液滴粒径分布模型、液滴蒸发模型；

边界条件设定单元，边界条件包括出口流量边界、计算流域壁面边界和完全发展出流边界；

仿真计算单元，用于获得不同环境条件下灭火剂在舱内的流动扩散过程，不同环境条件包括高温高湿、低温低湿和低温低压；获得每一浓度测量点的灭火剂的体积浓度随时间的变化关系图。

与现有技术相比，本发明提供的动力舱灭火剂喷射动态仿真系统的有益效果与第一方面和/或第一方面任一种实现方式提供的动力舱灭火剂喷射动态仿真方法的有益效果相同，在此不做赘述。

第三方面，本发明还提供过一种电子设备，包括：

处理器；以及，

存储程序的存储器；

其中，所述程序包括指令，所述指令在由所述处理器执行时使所述处理器执行第一方面所述的动力舱灭火剂喷射动态仿真方法。

与现有技术相比，本发明提供的电子设备的有益效果与第一方面和/或第一方面任一种实现方式提供的动力舱灭火剂喷射动态仿真方法的有益效果相同，在此不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的动力舱灭火剂喷射动态仿真方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的动力舱灭火剂喷射动态仿真的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了便于理解本发明，下面以Halon 1211灭火剂为例对于灭火原理进行阐述。

Halon 1211灭火剂的灭火过程是一个化学抑制过程，其作用是通过夺去燃烧链式反应中的活泼自由基来完成的。这一过程也称为“断链”过程，它通常可以归纳为下面的三个历程：(a)卤素捕获活泼氢原子，使氢原子与燃料进一步的降解反应分割开来；(b)由燃烧反应产生的羟自由基与卤化氢反应生成惰性的水；(c)通过上述反应，活性卤原子得到再生，捕获和除去自由基的过程反复进行。与此相比，卤代烃灭火剂的汽化虽然也可以吸热，其蒸气对燃烧区的含氧量也有一定稀释作用，但都微不足道。以烃类燃料(RH)为例，灭火过程的化学反应如下：

燃料链式反应过程：RH+O

H·+O·→OH·

2OH·→H

断链过程：RH+Br·→HBr+R·

HBr+OH·→H

尽管微观上的Halon 1211灭火剂的灭火机理及其灭火体积浓度(6％)是已知的，但由于宏观尺度的Halon 1211灭火剂与火焰之间的反应抑制模型还未建立(微观尺度与宏观尺度存在尺度效应)，导致现有的流体力学或者火灾仿真软件均不包含Halon 1211灭火剂的灭火模型。

本发明实施例将在FDS系统现有的水的释放喷洒模型的基础上，修改完善建立Halon1211灭火剂的释放喷洒模型。基于动力舱Halon 1211灭火瓶/灭火系统资料，通过调研或理论计算获得Halon 1211灭火剂在被保护空间喷射时的初始流量或压力。采用FDS软件搭建喷头的几何仿真模型(位置、朝向)，设置Halon 1211灭火剂的物性参数(分子量、分子式、密度、比热容、导热系数、扩散率、粘度、蒸发热等)，设置Halon 1211灭火剂的喷射参数(初始流量或压力、射流柱的类型等)，设置Halon 1211灭火剂的浓度测量点，建立Halon1211灭火剂在被保护空间的喷洒模型(冷喷，无火源)。当某点的Halon 1211灭火剂的体积浓度达到其灭火体积浓度6％时，此点的火焰将会熄灭。

为了确保建立的喷洒模型与灭火剂喷洒过程高度匹配，在建立喷洒模型之前，还需要对Halon 1211灭火剂喷射扩散过程分析，具体扩散过程如下：

以往灭火抑爆系统研制所积累的试验数据表明，Halon 1211灭火剂(CF

从上述描述可以看出，Halon 1211灭火剂的释放扩散过程比较复杂，涉及的物理过程有多组分输运、气液相变、气液两相流、湍流流动、热量传递等。一般而言，为深入了解此类物质的释放扩散过程，计算流体动力学(CFD)软件基于连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程建立离散化计算方法，对其质量传递、动量传递和能量传递过程进行细致描述，从而模拟出其在三维空间复杂条件下的物理化学过程。本发明拟采用FDS系统对Halon1211灭火剂释放后的扩散问题进行数值仿真，分析研究其雾化及扩散流动过程。

参见图1，本发明实施例提供一种动力舱灭火剂喷射动态仿真方法，包括：

S10.搭建用于喷射灭火剂的喷头的几何仿真模型。例如，通过喷头的几何尺寸设置喷头的类型、位置、大小、方向等参数，基于此创建喷头的仿真模型，创建方法可以是现有技术提供的任意一种方法，在此不做具体限定。

S11.设置灭火剂的物性参数，物性参数包括分子量、分子式、密度、比热容、导热系数、扩散率、粘度和蒸发热。作为一种示例，当灭火剂为1211灭火剂时，其物性参数可以通过产品手册查询获取，之后设置在本发明实施例提供的动力舱灭火剂喷射体积浓度动态仿真系统中即可。

S12.设置灭火剂的喷射参数，喷射参数包括初始流程、初始压力以及射流柱类型。在实际应用中，由于灭火剂的灭火能力与空间浓度有关，因此，需要以一个空间为依据，上述空间具体可以是动力舱。

S13.设置动力舱内灭火剂的浓度测量点；

S14.建立灭火剂在动力舱内的喷洒模型，喷洒模型包括湍流流动模型、传热模型、离散相模型、液滴粒径分布模型、液滴蒸发模型；

S15.设定边界条件，边界条件包括出口流量边界、计算流域壁面边界和完全发展出流边界；CFD流动问题的求解过程就是将边界边线或者边界面上的数据外推到计算流域内部的过程。边界面和边界条件的设置如果不符合实际问题或者不合适，将导致CFD仿真计算不收敛甚至发散的结果，因此，设置符合实际物理情况合适的边界条件至关重要。根据本发明的情况，采用出口流量边界、计算流域壁面边界、完全发展出流边界。气相出口流量进口边界用于定义在流动进口处的气体的流动速率及其相关其他标量型流动变量，该边界条件适用于不可压缩流动。在工程中，马赫数小于0.3的流体可看成是不可压缩流体，即速度小于110米/秒的空气流动可考虑是不可压缩流。计算域的周围壁面为固定不动，不发生移动，故采用无滑移的壁面条件(WALL)，WALL是用于限定fluid和solid区域的一种边界条件。计算流域出口采用完全发展出流边界，计算流域的尺寸相对于出口很大，基本保证了流动达到完全发展，可以采用完全发展出流边界。

S16.开展仿真计算，获得不同环境条件下灭火剂在舱内的流动扩散过程，不同环境条件包括高温高湿、低温低湿和低温低压；获得每一浓度测量点的灭火剂的体积浓度随时间的变化关系图。作为一种示例，可以获取每一浓度测量点的浓度随时间的变化曲线，最终可以通过所有测量点的变化曲线获得整个舱的扩散图。

在确定灭火剂在动力舱内的扩散为湍流流动的情况下，所述灭火剂的湍流流动遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒、组分守恒及气体状态方程。

具体的，质量守恒方程(质量传递)：

动量守恒方程(动量传递)：

能量守恒方程(能量传递)：

组分守恒方程：

气体状态方程：

pV＝nRT (5)

其中，ρ、t、u、p、g、f及τ分别代表密度(kg/m

湍流带有旋转流动结构，从物理结构上看，可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡叠合而成的流动，这些涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡主要由流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟，它主要受惯性影响而存在，是引起低频脉动的原因。小尺度的涡主要由粘性力所决定，其尺寸可能只有流场尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动的原因。大尺度的涡破裂后形成小尺度的涡，较小尺度的涡破裂后形成更小尺度的涡。在充分发展的湍流区域内，流体涡的尺寸可在相当宽的范围内连续变化。大尺度的涡不断的从主流获得能量，通过涡间的相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡传递。最后由于流体粘性的作用，小尺度的涡不断消失，机械能就转化(或称耗散)为流体的热能。同时由于边界的作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动。

湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法。直接数值模拟方法是直接求解瞬时湍流控制方程。非直接数值模拟方法就是不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处理。非直接数值模拟方法分为大涡模拟、统计平均法和Reynolds平均法。FDS软件采用大涡模拟来对其流动特性进行仿真，即将湍流中大尺度的涡和小尺度的涡分开对待，对大尺度的涡采用Smagorinsky亚网格湍流模型进行直接计算，而针对小尺度的涡，则采用Smagorinsky亚网格湍流模型来进行模拟计算。Smagorinsky亚网格湍流模型的具体计算公式如下(式中的S即代表Smagorinsky项)：

u

其中，u

灭火剂的热量传递采用传热模型确定，传热模型包括热对流模型和热辐射模型；其中，热对流模型为：

其中，

热辐射模型为：

其中，s、I

需要进一步解释的是，上述热辐射模型和热对流模型相互独立，综合沟通火灾的热变化曲线。

气液两相流用于确定颗粒的轨道，即跟踪颗粒沿轨道的热量、质量、动量的得到与损失；气液两相流采用耦合的组分输运模型和离散相模型确定；

其中，组分输运模型为：

离散相模型为：

等式左侧表示颗粒的加速度，等式右侧为单位质量颗粒所受到的作用力，分别为曳力、重力及其他作用力。式中，u是连续相运动速度，u

其中，μ为连续相流体的分子粘度，d

交替求解组分输运模型和离散相模型，直至二者均收敛，以实现双向耦合计算。

气液相变采用液滴蒸发模型确定，即灭火剂以液滴及气体混合的形式被喷入舱，液滴升/降温及蒸发过程遵循如下方程：

其中，m

灭火剂雾化后的液滴的粒径分布是对数正态分布及罗辛-拉姆勒(Rosin-Rammler)分布的组合，如下方程所示：

其中，D

参见图2，第二方面，一种动力舱灭火剂喷射动态仿真系统，包括：

几何模型搭建单元，用于搭建用于喷射灭火剂的喷头的几何仿真模型；

参数设置单元，用于设置灭火剂的物性参数，物性参数包括分子量、分子式、密度、比热容、导热系数、扩散率、粘度和蒸发热；设置灭火剂的喷射参数，喷射参数包括初始流程、初始压力以及射流柱类型；设置动力舱内灭火剂的浓度测量点；

喷洒模型建立单元，用于建立灭火剂在动力舱内的喷洒模型，喷洒模型包括湍流流动模型、传热模型、离散相模型、液滴粒径分布模型、液滴蒸发模型；

边界条件设定单元，边界条件包括出口流量边界、计算流域壁面边界和完全发展出流边界；

仿真计算单元，用于获得不同环境条件下灭火剂在舱内的流动扩散过程，不同环境条件包括高温高湿、低温低湿和低温低压；获得每一浓度测量点的灭火剂的体积浓度随时间的变化关系图。

第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括：

处理器；以及，

存储程序的存储器；

其中，程序包括指令，指令在由处理器执行时使处理器执行第一方面提供的动力舱灭火剂喷射动态仿真方法。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。