一种基于FDS的脉冲细水雾灭火工况标定方法

本发明涉及数值仿真，具体涉及一种基于fds的脉冲细水雾灭火工况标定方法。

背景技术：

1、脉冲细水雾灭火系统通过间歇喷射方式降低持续供水需求，并利用雾滴蒸发吸热、气相稀释及燃料表面冷却作用抑制火势发展。脉冲喷雾的灭火性能受雾滴粒径、喷雾流量、脉冲持续时间、脉冲间隔以及火源强度和通风条件等多项因素共同影响，各参数之间存在较强耦合关系，单一参数的变化可能同时影响水雾穿透能力、蒸发效率、燃料表面冷却程度及停喷后的火势恢复过程。

2、现有脉冲细水雾工况通常依赖经验设定或逐组试算确定，难以从喷射水量中准确区分实际参与气相灭火和表面冷却的有效水雾与未参与核心灭火作用的逃逸水雾，容易造成工况评价失真。同时，现有方法对停喷后的温度回升和热释放恢复考虑不足，难以在多参数组合及不同火源、通风条件下兼顾灭火强度、抑制稳定性与用水量，导致标定效率较低，所得参数适用范围不明确。因此，亟需一种能够量化水雾实际作用程度、自动寻优脉冲参数并验证工况稳定性的脉冲细水雾灭火工况标定方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提出一种基于fds的脉冲细水雾灭火工况标定方法。

2、实现本发明目的技术解决方案为：

3、一种基于fds的脉冲细水雾灭火工况标定方法，包括以下步骤：

4、获取防护空间、火源、通风边界及细水雾喷射数据，基于fds建立灭火仿真，同时通过无喷雾基准仿真确定火焰与火羽流覆盖的灭火作用区域；

5、将雾滴粒径、喷雾流量、脉冲持续时间和脉冲间隔编码为粒子位置，通过灭火仿真获取热释放速率、燃料表面温度、液滴蒸发量和液滴沉积量，依据灭火作用区域计算有效水雾量；

6、根据有效水雾量、热释放速率衰减幅度、停喷后燃料表面温度回升幅度及累计用水量计算粒子适应度，利用粒子群优化算法迭代得到候选工况；

7、对候选工况进行复算验证，根据平均性能指标剔除失效工况，标定火源强度和通风条件下的脉冲参数范围，形成灭火工况标定表。

8、进一步的，灭火作用区域的确定，包括：

9、提取无喷雾基准仿真稳定阶段的三维温度场数据，根据燃料自燃温度识别火焰区域；

10、根据速度矢量和温度梯度分布识别火羽流区域，对火焰区域和火羽流区域对应的网格单元集合执行空间并集运算，得到火焰与火羽流覆盖区域；

11、根据喷嘴出口中心、喷射锥角、喷射方向和喷嘴额定射程构建水雾圆锥空间范围，对火焰与火羽流覆盖区域同水雾圆锥空间范围执行空间交集运算，得到灭火作用区域。

12、进一步的，有效水雾量的计算，包括：

13、根据灭火作用区域的网格范围匹配液滴粒子的空间坐标，统计灭火作用区域内发生质量损失的液滴质量，得到气相作用有效水雾量；

14、统计数据统计窗口内穿过灭火作用区域后沉积于燃料燃烧表面的液滴质量，得到表面作用有效水雾量；

15、将气相作用有效水雾量和表面作用有效水雾量相加，得到有效水雾量。

16、进一步的，粒子位置的编码，包括：

17、确定雾滴粒径、喷雾流量、脉冲持续时间和脉冲间隔的工程可行取值区间，将各项参数对应为粒子位置向量的参数维度；

18、对各参数维度执行归一化等比例编码，建立参数实际值同粒子位置坐标的映射关系；

19、对各参数维度的归一化区间执行分层随机采样，将不同参数维度的采样结果随机组合为粒子位置，反向映射得到脉冲喷雾参数组合，形成初始粒子群。

20、进一步的，热释放速率衰减幅度、停喷后燃料表面温度回升幅度、液滴蒸发量和液滴沉积量的获得，包括：

21、将粒子位置对应的脉冲喷雾参数代入fds灭火仿真计算体系，根据脉冲持续时间和脉冲间隔生成周期化启停时序；

22、提取动态稳定阶段内各脉冲周期喷雾阶段结束时刻的热释放速率，根据喷雾介入前的稳定热释放速率计算热释放速率衰减幅度，依据停喷阶段温度峰值同喷雾阶段结束温度的差值计算停喷后燃料表面温度回升幅度；

23、统计液滴粒子的质量损失得到液滴蒸发量，根据数据统计窗口始末燃烧表面液膜质量和窗口内壁面液膜蒸发质量计算液滴沉积量。

24、进一步的，粒子适应度的计算，包括：

25、根据喷雾流量、脉冲持续时间和数据统计窗口包含的脉冲周期总数计算累计用水量；

26、将有效水雾量和热释放速率衰减幅度设为正向指标，将停喷后燃料表面温度回升幅度和累计用水量设为负向指标，以当前迭代代种群内负向指标的最小值同当前粒子指标值的比值进行正向化转换；

27、将各项正向化结果除以当前迭代代种群内对应指标的最大值，得到动态归一化结果，根据对应权重求和得到粒子适应度。

28、进一步的，候选工况的获得，包括：

29、根据粒子适应度确定个体历史最优位置和全局最优位置，根据当前位置、当前速度、惯性权重、个体历史最优位置、个体学习因子、全局最优位置和社会学习因子更新粒子速度；

30、将当前位置叠加更新后的粒子速度得到新一代粒子位置，对超出归一化区间的粒子位置执行边界截断，反向映射得到新一代脉冲喷雾参数组合；

31、调用fds灭火仿真计算体系计算新一代粒子适应度，更新个体历史最优位置和全局最优位置，迭代终止后根据热释放速率衰减幅度、停喷后燃料表面温度回升幅度和有效水雾量占累计用水量的比例筛选候选工况。

32、进一步的，平均性能指标的获得，包括：

33、保持计算域、计算网格、火源燃烧参数、通风边界参数、脉冲喷雾参数、喷雾介入时刻和数据统计窗口不变，修改仿真随机数种子，对候选工况执行独立重复复算；

34、提取各次复算对应的有效水雾量、热释放速率衰减幅度、停喷后燃料表面温度回升幅度和累计用水量，对同一候选工况的各次复算结果求取算术平均值，得到平均性能指标。

35、进一步的，失效工况的剔除，包括：

36、根据平均性能指标计算有效水雾量占累计用水量的比例，将所述比例同有效水雾量判定阈值进行比较，得到有效水雾量不足判定结果；

37、将停喷后燃料表面温度回升幅度同温度回升判定阈值进行比较，得到温度回升判定结果，根据停喷阶段末端热释放速率和喷雾介入前稳定热释放速率计算热释放速率回升比例，将热释放速率回升比例同热释放速率回升判定阈值进行比较，得到热释放速率回升判定结果；

38、根据各判定结果确定失效工况，剔除对应的脉冲喷雾参数组合，得到合格工况集合。

39、进一步的，灭火工况标定表的形成，包括：

40、根据火源强度和通风条件构建梯度矩阵，通过修改单位面积热释放速率形成不同火源强度，通过修改边界入口风速形成不同通风条件；

41、将合格工况集合中的脉冲喷雾参数组合代入梯度矩阵对应的各场景执行瞬态仿真，根据失效工况判定结果得到各场景通过验证的脉冲喷雾参数组合；

42、统计各场景通过验证的雾滴粒径、喷雾流量、脉冲持续时间和脉冲间隔的参数可行取值范围，根据粒子适应度排序结果确定推荐最优参数区间，将参数可行取值范围和推荐最优参数区间写入对应表项单元，形成灭火工况标定表。

43、本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

44、1、通过无喷雾基准仿真识别火焰与火羽流覆盖范围，并将其与水雾喷射可达范围进行空间交集运算，获得统一的灭火作用区域；进一步分别统计该区域内的气相作用有效水雾量和沉积于燃料表面的表面作用有效水雾量，剔除未参与核心灭火作用的逃逸水雾，使水雾利用程度的评价能够真实反映喷雾参数与实际灭火作用之间的对应关系；

45、2、将雾滴粒径、喷雾流量、脉冲持续时间和脉冲间隔编码为粒子位置，以有效水雾量、热释放速率衰减幅度、停喷后燃料表面温度回升幅度及累计用水量构建多目标适应度，通过粒子群优化和独立复算筛选稳定参数组合，并在不同火源强度和通风条件下标定脉冲参数范围，实现脉冲灭火工况的自动寻优、失效剔除及场景化匹配。