消防水槍水射流落點影響因素分析

郝文睿，闞江明

(北京林業大學 工學院，北京 100083)

消防水槍水射流落點影響因素分析

郝文睿1，闞江明*

(北京林業大學 工學院，北京 100083)

消防水槍水射流落點受水槍工況參數和環境條件等多重因素影響，為了進一步研究水射流的建模和控制問題，需要先對水射流的主要影響因素進行分析。本文通過實驗得到消防水槍的工況參數和外界環境影響因素共同作用下的水射流落點位置，利用理論與數理統計相結合的方法對水射流落點的影響因素進行研究。首先通過理論分析說明了水槍工況參數對水射流的影響，然后利用相關性分析對外界環境影響因素進行篩選，最終選定壓力、流量、高度、俯仰角度、水平角度和風的影響為水射流落點的主要影響因素。利用方差分析研究高度、壓力、水平角度和俯仰角度對水射流落點的影響。結果表明水平角度和俯仰角度分別為對落點坐標在橫向和縱向影響最大的因素。本文為以后水射流模型建立過程中變量的選取及定點滅火中水槍參數的控制提供依據。

水射流落點；統計學分析；影響因素

0 引言

火災有蔓延速度快，破壞力強等特點[1]，特別是在撲救過程中會對消防人員的生命安全產生巨大威脅。實現自動控制下的定點滅火對于提高滅火過程中高效性和準確性的要求、保障消防人員生命安全有重要意義[2-4]。為了實現定點滅火中將水射流準確打擊火源點的要求，水射流的研究分析在定點滅火消防設備研發中尤為關鍵。目前，已有一些研究人員對水射流開展的相關研究。如，基于理論分析和實驗驗證對消防炮的射程及影響因素進行的研究[5]；利用基于計算機的圖像處理方法對水射流識別的研究[6-8]；基于運動方程方法建立水射流微元的微分運動方程進一步對射流特性及軌跡進行的研究[9-12]；還有一些研究基于水射流的軌跡模型提出了水射流的控制方法[13]。

上述研究中大多集中于在二維平面內對射流識別及軌跡的研究，實驗條件中各影響因素水平數有限，對于各因素對射流造成的影響缺乏深入分析。鑒于此，本文通過實驗數據對各因素對水射流落點的影響進行了較為全面的分析。

本文通過自然環境下的室外實驗采集得到水射流在不同壓力、俯仰角度、水平角度和高度條件下的落點坐標。首先對水槍工況參數對水射流的影響進行理論分析。然后通過相關性分析外界環境參數與對水射流落點間的密切程度，篩選出水射流落點的主要影響因素。最后，通過對控制因素和水射流落點坐標之間的方差分析確定出在兩個方向上對其落點坐標影響最大的因素。通過上述一系列分析為后續水射流的建模及控制奠定基礎。

1 水射流落點實驗

1.1 實驗系統

為了尋找水射流影響因素與其落點間的關系，需要進行大量實驗，通過改變各影響因素變量值來采集不同條件下數據。本研究中以某消防設備公司生產的LH400CUV型消防車車載滅火裝置作為主要實驗設備，并在此基礎上配置流量傳感器、壓力傳感器、云臺、升降臺、環境數據監測傳感器及用于數據處理的PC端等實驗器材構建成完整的實驗系統。如圖1所示。

圖1 實驗系統結構圖Fig.1 Structure of experiment system

1.2 實驗設計

本文中影響因素的選取主要考慮工況參數和環境兩個方面，其中工況參數影響因素包括：水槍高度h、水平角度α、俯仰角度β、壓力p和流量q，環境因素包括相對濕度RH、溫度T、風速v和風向φ，總共9個影響因素。實驗初始狀態定義為：云臺水平角度和俯仰角度均設置為0°，并利用方位測量設備測量出該狀態下水槍指向的方位角γ作為基準方位，此時出水口和地面間距離記為高度h。為方便記錄落點位置，研究中設定一個平面坐標系：以水槍水平時出水口在地面上的投影點為原點O，水槍相對水平角度為0°(即云臺水平角度為0°)時水槍所指方向為y正向，y正向順時針旋轉90°為x正向。實驗數據記錄時，將水射流的落點位置分解成x方向和y方向，即每個落點P對應一個坐標(，)。本文實驗中取在各控制變量達到設定值時對應條件下水射流穩定散落的最密集處即水流落地區域的中心點為水射流落點，根據落點在實驗所定義的坐標系中的位置記錄落點坐標值為(x0，y0)。

實驗為4因素(4因素是指實驗中進行控制的四個因素，即“水槍高度、俯仰角度、水平角度、和壓力”)完全實驗，通過改變水射流影響因素中的水槍高度、俯仰角度、水平角度和壓力來進行實驗，每次實驗中改變其中一個變量的值，其他變量保持不變。根據消防水槍典型工作壓力和本實驗所用汽油泵的出口壓力選定了壓力變量的水平值。結合消防水槍的實際用途及云臺、升降臺等設備的可調節范圍，設計了相關變量的變化水平。

表1 實驗因素水平Tab.1 Experimental factor levels

實驗變量取值見表1，其余影響因素變量不進行人為控制。本研究采用完全實驗，由表1中各變量水平個數相乘可知實驗共采集到480組數據。每組數據都包含11個值，即9個影響因素的值(h，α，β，pkq，T，RH，v，φ)和2個落點坐標值(x0,y0)。

2 實驗結果分析

通過水射流落點實驗采集到了480組實驗數據，每組數據中又包含多個影響因素數值，數據量相對較大。面對大量的實驗數據想要利用影響因素來研究水射流建模與控制，就必須選取出適當的水射流影響因素。因此，需要對影響水射流主要因素進行分析，在采集得到的大量實驗數據的基礎上，從數理統計的角度對水射流影響因素與其落點坐標間的關系進行討論。

2.1 水射流的影響因素

水槍水射流落點的影響因素有很多，主要分為以下3類[7]：工況參數，主要包括水射流的初始速度、初始俯仰角度和高度，在噴嘴面積不變的情況下射流初始速度主要由壓力決定；設備結構參數，消防設備內部流道結構及水槍噴嘴設計會對射流形態及射程產生影響；外界影響因素，比如風速、風向等環境影響因素。

已有很多學者針對消防設備的結構參數對水槍水射流的噴射距離及滅火效果產生的影響進行了相關的研究[13]，如針對消防炮炮座流道、噴嘴結構和供水管道的設計和優化等。但由于消防設備結構參數眾多且關系復雜，所以這些因素對于水射流造成的影響難以進行量化分析。由于本文中的實驗基于森林消防車產品配備的滅火裝置進行，對于設備內部結構參數的影響在此不作分析，僅對工況參數和外界影響兩個方面的水射流影響因素進行研究。本文實驗中將工況參數作為可控變量，即根據實驗需求設定各變量的水平，人為的調節其大??；外界影響因素為不可控變量，即實驗過程中不控制其變量水平但會通過傳感器對其數值進行采集。下面將對影響較為直觀的工況參數影響因素進行說明，對于外界影響因素會在之后小節中通過數據進行分析。

2.1.1 消防水槍工況因素分析

這里提到的工況參數是指消防水槍在工作時可控制的工作狀態參數，下面對各參數對水射流產生的影響分別進行說明：

(1)壓力：壓力是水射流射程重要的影響因素，在正常工作壓力范圍內提高噴射壓力可以明顯提高射程[5]。孫健在其研究中分析發現射流壓力變大時，初始能量隨之變大，則射程也相應增大；但當壓力增大到一定程度后，射流截面積增大引起的空氣阻力增大成為主要影響因素，射流的射程會隨壓力增大而減小[9]。

(2)流量：增大流量能夠使射流充實核心區域長度增加。壓力不變時增加流量需要通過將噴嘴面積變大的方法實現。本文實驗中水槍的噴嘴固定，所以只將壓力設為控制變量，流量隨壓力的增大而增大。

(3)高度：水槍高度對射流下落的高度和時間有影響。在其他參數不變的條件下，增加水槍高度可以增加水射流的射程，從而在一定程度上擴大水射流覆蓋范圍。

(4)俯仰角度：俯仰角度在一定范圍內，水射流射程會隨其增加而增加。到達某一角度后射程隨角度增加而減小。有研究認為射程最遠對應的角度為30°，也有仿真實驗顯示為40°[9]，這一角度值沒有明確定論。廖小東等人在基于Matlab的消防炮射流軌跡研究中也對俯仰角度的影響進行了模擬分析，其結果顯示當俯仰角度超過60°后由于風的影響，仿真結果與實際偏離較大，作者建議將風速等影響因素考慮在內對模型進行優化[15]。

(5)水平角度：一般對消防設備射流的研究選擇固定水平角度，實際應用中加入水平角度調整可使水流覆蓋范圍擴大。水平角度變化范圍較小時，角度和落點橫坐標之間呈線性關系，改變水槍水平角度可快速調整射流落點橫向偏移。

2.1.2 環境影響因素分析

工況參數對于水射流落點的影響較為直接，在此不再贅述。本文這一部分主要利用SPSS軟件對外界環境影響因素對于水射流落點的影響進行分析。

研究中常用到計算相關系數的方法得出影響因素與因變量之間密切程度，選擇相關系數較高的影響因素作為建立模型的輸入變量。在存在多個影響因素的分析中，由于變量間關系復雜且因變量受多個因素影響，可以采用計算偏相關系數的方法來研究變量間相關關系。偏相關分析是在控制其他可能對其產生影響的變量的條件下研究多因素構成系統中兩個變量因素間的相關密切程度，這時計算的相關系數為偏相關系數。

(1)溫度、濕度：本文中通過實驗得到的落點坐標是多個變量共同影響下得到的數據。為了分析溫濕度為落點坐標帶來的影響，這里用SPSS軟件對溫度和濕度與水射流落點x、y分別進行偏相關分析。將除了計算偏相關系數的兩變量以外所有變量設為控制變量，得到的偏相關分析結果見表2。

從表2中可以看出，溫度、相對濕度和落點坐標間計算得到的偏相關系數都很小，且各偏相關分析雙側檢測的相伴概率均大于給定的顯著性水平0.05，這說明溫濕度與落點坐標間不存在顯著的相關性。由于溫度和濕度在實驗期間變化不大且通過數據分析觀察不到其對水射流落點的影響，因此，在對水射流進行分析時，將溫度和濕度這兩個變量排除在主要影響因素以外。

表2 溫濕度與落點坐標的偏相關分析Tab.2 Partial correlation analysis of temperature and humidity factors and landing point coordinates

注：顯著性水平0.05

(2)風速、風向：從直觀感知可以知道風對水射流有較大的影響。孫健在其研究中將風的影響引入建立的射流模型[9]。他首先根據伯努利方程確定了風速和風壓的關系，再將風壓與風速的關系代入仿真模塊并且將風壓與射流截面積的乘積作為風的阻力代入空氣阻力模塊。但是其研究中只對風從正面或背面吹來這兩個方向進行了仿真，風從側面吹來的情況則無法分析。

本研究中沒有對風的方向進行限定，因為風的方向不確定所以對于風作用于射流的影響不能直接利用風的阻力方程進行分析。由于本研究中是以水射流的落點位置為研究對象，所以為了分析風的因素對水射流落點位置的影響，需要將風速和風向綜合起來考慮。

本研究實驗中風向傳感器采集到的0～5 V電壓信號對應的是以正北為基準0°方向的0°～360°風向方位角φ，而這里實驗中水槍初始狀態的方位角不是指向正北，因此，計算時不可直接使用傳感器測量得到的風向角度的數據。需要對傳感器測得的風向角度數據進行一些變換再結合風速數據進而來綜合分析風對水射流落點的影響。

氣象學上將風吹來的方向定義為風向，風向傳感器測得的角度即為風吹來方向的方位角。風向角度測量基準與水槍基準方位角不重合時，單獨測量風向角度沒有意義。要考慮風向的影響就要知道風吹向的方向和水槍基準方向間的夾角。因此，引入了角度θ，定義為風吹向的方向和水槍基準方向間的夾角，如圖2所示，γ為水槍基準方位角，φ為風吹來的方位角，則φ-180°為風吹向的方向的角度，其定義式如下所示：

θ=φ-180-γ。

(1)

圖2 風向與水槍基準方向角度示意圖Fig.2 Wind direction and reference angle of fire-fighting lance diagram

風和水射流存在于三維空間中，水射流在不同的位置有不同的射流截面積，所以風對射流產生的影響是相對復雜的。為了便于分析，本文只從宏觀角度上考慮風對水射流帶來的影響，認為風對其落點的影響由風速v和角度θ決定。將風的影響因素分解到本文所定義的坐標系的兩個方向上，并可以得到風在兩個方向上的影響因子變量，其定義式為：

(2)

為了驗證提出的風在x和y兩方向上影響因素變量對于落點的影響，這里分別對和windx、windy和y兩組變量進行了偏相關分析，通過SPSS對兩組變量進行相關性分析，其結果見表3。

表3 風影響因素與落點坐標的偏相關分析Tab.3 Partial correlation analysis of wind factors and landing point coordinates

注：0.000表示趨近于0的正數，*表示具有顯著性

從表3中可以看到在控制其他變量的條件下windx和x關系密切，兩變量之間的偏相關系數為0.372，雙側檢測的相關概率為0.000(表示趨近與0的正數)，明顯小于顯著性水平0.05，說明這里提出的將風速風向綜合起來的影響因子windx與落點坐標x之間存在顯著相關性。檢驗結果說明對風速、風向影響因素進行這樣的變換處理是可行的。但是從分析結果中看到windy和y之間的相關性不顯著。實驗中水平角度變量根據實際滅火需求和實驗場地的限制取了-15°、0°和15°三個水平，水平偏轉角度較小，即水流噴射方向基本朝向y正向，y方向上的速度分量占水射流出口速度的絕大部分。本研究中進行實驗時的風力基本在2級左右，測得的大多數風速數據在2 m/s以下。因此，y方向上的風速與該方向上射流速度相比是非常小的數值。這樣的數據采集條件下，風對水射流橫向偏移的影響作用更容易通過數據體現出來。而y方向上落點受該方向上風的影響因素分量windy作用而產生的偏移量從數據上不能很好的被觀察到。但是不能否定風會對y方向落點坐標產生影響，因此仍將windy作為水射流的影響因素變量。

2.2 模型控制變量方差分析

實驗中水射流的落點坐標在多個影響因素共同作用下得到。在控制消防設備進行定點滅火時改變哪個影響因素能夠快速移動水射流落點位置從而最快達到效果同樣是十分關鍵的問題。因此，需要通過方差分析來研究各因素對落點坐標產生的影響。

方差分析常用于分析控制變量對觀測變量的顯著性影響情況，其基本原理是將總變異的平方和與自由度分解為不同變異來源的相應部分，通過分析總變異中不同來源的變異對其貢獻的大小來確定各個因素對結果影響的大小。多因素方差分析用于研究因變量在兩個及兩個以上控制變量的影響下是否產生顯著性差異。多因素方差分析不僅可以分析多因素中每個因素對因變量產生的影響，還能夠對多個因素之間的交互作用帶來的影響進行分析。

進行方差分析的前提條件是控制變量各個水平下的樣本來自正態總體和各個水平間的樣本方差相等(即各組方差具有齊性)。其中正態分布的要求不是非常嚴格，但對于方差齊性要求較為嚴格，因此進行方差分析時需要對方差是否滿足齊性要求進行檢驗。

分析各因素的影響時，將落點坐標x和y作為觀測變量，將水槍高度、俯仰角度、水平角度和壓力作為控制變量。除了各個控制變量的主效應外，另外還將高度、水平角度與俯仰角度三個控制變量兩兩之間的交互項選入方差分析模型中，方差齊性檢驗結果及多因素方差分析結果分別見表4和表5。

表4 誤差方差等同性Leneve檢驗Tab.4 Results of homogeneity test for error variance

表4給出了兩個因變量在各個因素水平下的Levene檢驗結果，即方差齊性檢驗結果。檢驗的零假設為：在所有組中因變量的誤差方差均相等。因變量為x時的相伴概率為0.219，因變量為y時相伴概率為0.097，顯著性檢驗相伴概率均大于0.05，因此可以認為在0.05的顯著性水平上各個組總體方差無顯著差異的，滿足方差齊性條件。

表5是多因素方差分析各因素檢驗的輸出結果。兩個因變量的方差分析模型的F統計量分別為148.961和75.215，概率水平均為0.000(表示趨近于0的正數)，可知建立的方差分析模型是顯著的。從各項顯著性檢驗結果來看，各個控制變量單獨作用時的相伴概率均小于0.05，說明其均對兩個方向上的落點有顯著影響。模型總的離差平方和分為三個部分：多個控制變量對觀測變量的單獨作用、控制變量間的交互作用和其他隨機因素帶來的影響。從表5中可以看到，各個控制變量單獨作用下貢獻的離差平方與均方。其中，水平角度因素對因變量x貢獻離差平方和為1 217.846，均方為608.923，在各個控制因素中比重最大，這說明水平角度對落點坐標x影響最大。因變量為y時，俯仰角度貢獻離差平方和為1 033.079，均方為114.787，在各因素中最大，即對落點坐標影響最大的控制變量為俯仰角度。表格下方還給出了因變量為x時的R2為0.962，調整R2為0.956，說明x的變異能被控制變量及給出交互效應解釋的部分有95.6%；因變量為y時的R2為0.928，調整R2為0.916，表明落點坐標y的變異能被解釋的部分占91.6%。由此，落點坐標的變異大部分都能被選擇的控制變量所解釋。

表5 多因素方差分析結果表Tab.5 Results of multi-factor variance analysis

注：1.R2=0.962(調整R2=0.956)；2.R2=0.928(調整R2=0.916)

3 結論

本文通過實驗改變水槍工況參數采集到工況參數和外界環境影響因素共同作用下的水射流落點坐標。首先結合相關水射流研究，討論分析了消防水槍工況參數對水射流的影響問題。然后基于采集到的實驗數據通過計算各外界環境影響因素和落點坐標之間的相關性，篩選出相關性高的影響因素，最終選定水槍高度h、水平角度α、俯仰角度β、壓力p、流量q、風的影響指標windx和windy作為水射流落點主要影響因素。通過方差分析的方法對水槍高度、水平角度、俯仰角度和壓力4個控制變量對落點坐標的影響進行了分析，結果表明這些變量可以解釋90%以上的兩個方向上落點坐標的方差變異，落點坐標在x方向和y方向上最顯著的影響因素分別為水平角度和俯仰角度，為后續水槍姿態的調節提供了參考依據。

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AnalysisofInfluencingFactorsofFire-fightingLanceWaterJetLandingPositions

Hao Wenfui1，Kan Jiangming*

(School of Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083)

The landing positions of fire-fighting lance water jet are influenced by multiple factors，such as working condition parameters and environment factors.In order to further study the modeling and control of water jet，it is necessary to analyze the main influencing factors of water jet.The landing positions of water jet which are influenced by working condition parameters and external environment are obtained through experiment.The influencing factors are studied by combining theoretical and mathematical statistics.Firstly，the influence of working condition of the fire-fighting lance on the water jet is explained by theoretical analysis.Then，the correlation analysis is used to screen the external environmental factors.Finally，pressure，flow，height，pitch angle，horizontal angle and wind are chosen as the main influencing factors.Variance analysis is used to study the above factors.The results show that horizontal angle and pitch angle are the most important factors in the X and Y direction separately.This paper provides the basis for establishment of the water jet model and the controlling of the fire-fighting lance.

Water jet landing positions；statistical analysis；influencing factors

S 762

：A

：1001-005X(2017)05-0050-06

2017-03-30

中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(TD2013-4)；北京市共建項目專項資助(2013)。

郝文睿，碩士研究生。研究方向：森林工程裝備及其自動化。

闞江明，博士，教授。研究方向：森林工程裝備及其自動化。E-mail：kanjm@bjfu.edu.cn

郝文睿，闞江明.消防水槍水射流落點影響因素分析[J].森林工程，2017，33(5)：50-55.