对抗野火：航空灭火飞机的非定常排放流动力学与洒落模式预测

《Results in Engineering》：Fighting with wildfire: unsteady discharge flow dynamics and drop pattern prediction for air tankers

　　

全球范围内野火发生频率、强度及其对社会经济负面影响的增加，凸显了对火灾围控和扑灭设备的持续需求。由于具有高机动性和受地形限制较小的优势，航空灭火已成为对抗野火不可或缺的方法。尽管在排放流和洒落模式建模方面已开展了大量研究，但现有模型多为抽象化模型，未能建立输送系统关键参数（例如罐体几何构型、罐门布局、排放系统类型等）与排放流及洒落模式之间的直接映射关系。本研究开发了一种用于航空灭火飞机非定常排放流动力学和洒落模式预测的解析模型。该模型建立了影响因素与排放流及洒落模式之间的直接映射，从而有助于为提升消防飞机性能和规划灭火任务提供可行方案。利用全尺寸排放实验数据以及研究人员此前发表的洒落实验数据，验证了该模型在模拟罐体排放过程及地面轮廓分布特征方面的性能。结果表明，扩展模型预测值与实验数据在覆盖等级线长度上的平均相对误差为 8.17%，最大相对误差为±16.06%。扩展模型计算的体积变化以及沿 x 轴的累积沉积量与实验数据吻合良好。扩展模型预测的累积沉积量与实验数据之间的相对误差为 -6.51%，显著小于原始模型的 23.55% 误差。理论分析与实验验证均表明，罐体几何构型、罐门布局、排放系统类型等多种因素对罐体排放流和洒落模式产生了诱导效应。这些发现为设计消防飞机灭火任务系统及多机协同灭火任务方案迈出了重要一步，将有助于社会应对未来的火灾事件。

**对抗野火：航空灭火飞机非定常排放流动力学与洒落模式预测解读**

**研究背景与问题阐述**
野火作为一种独特的自然灾害，对人类社区、生态系统服务（如空气质量与碳汇能力）以及基础设施造成了深远影响。近年来，从美国加州、加拿大到澳大利亚及中国四川等地发生的重大野火灾害，进一步凸显了高效火灾围控与扑灭装备的迫切需求。航空灭火凭借其快速响应能力和对复杂地形的适应性，成为现代森林防火体系中的核心力量，主要通过空中投放水或化学阻燃剂来抑制火势蔓延。然而，如何准确评估航空灭火飞机的效能仍是亟待解决的关键科学问题，这直接关系到灭火行动的成本效益与技术推广。美国农业部林务局虽已针对不同燃料模型提出了推荐的阻燃剂覆盖等级，但对于决定灭火效果至关重要的洒落模式（包括长度、宽度及覆盖等级分布），目前仍缺乏精准的量化认知。现有的全尺寸洒落实验数据精度有限，且传统数值模拟方法（如计算流体动力学 CFD）存在计算成本高昂、耗时过长等缺陷，难以满足实时任务规划的需求。更为关键的是，既往研究多基于恒定流量假设，忽略了实际重力或压力喷射系统中液体排放速率随时间剧烈变化的非定常特性，导致预测结果存在较大偏差。因此，建立一种能够精确描述罐体非定常排放流动力学并据此预测洒落模式的解析模型，对于优化飞机设计、制定协同灭火策略具有重要的工程意义。

**研究方法概述**
针对上述挑战，研究人员构建了一套结合理论推导与实验验证的综合研究框架。首先，基于不可压缩流体假设、准一维流近似及刚体旋转定律，推导了描述罐门开启过程中机械动作与流体流动动态耦合机制的非定常伯努利方程（Bernoulli equation）与转动方程。研究引入了微元法（infinitesimal elements）概念，将复杂的三维罐体截面离散化为多个均匀子区域，以处理变截面带来的积分求解难题，并考虑了摩擦阻力与局部阻力损失。其次，将该非定常排放流解析模型与已有的洒落模式函数关系相结合，通过将总投放时间分割为若干微小时段，在每个时段内视流量为常数，从而扩展了原有的恒定流洒落预测模型，使其适用于瞬态排放过程。在实验验证方面，研究人员利用预建的全尺寸实验平台，针对具有复杂几何特征的罐体进行了多次重力排放实验，测量液位变化与罐门开启时间；同时，引用了此前关于 AG600 两栖灭火飞机的全尺寸洒落实验数据，采用“杯 + 桩”法收集的地面分布数据作为基准，对模型的预测精度进行了多维度校验。

**研究结果分析**
**罐体排放流模型验证**
通过对比全尺寸排放实验中测得的液位变化曲线与模型计算值，研究人员发现两者高度吻合。模型对罐门完全开启时间的预测最大相对误差仅为±5.33%，证明了该解析模型能够准确捕捉罐门在自重与水力耦合作用下的动态开启过程以及随之产生的非定常流量变化规律。基于此模型生成的流量 - 时间函数，清晰地揭示了排放过程中从加速主导到准稳态再到排空的完整动力学特征。

**扩展洒落模式预测方法验证**
在地面分布轮廓的预测上，扩展模型展现出显著优于原始恒定流模型的性能。视觉对比显示，扩展模型预测的洒落形状更贴近实际实验观测到的累积效应。定量分析表明，在不同覆盖等级下，扩展模型预测的等高线长度平均相对误差为 8.17%，最大误差不超过±16.06%；除极边缘低覆盖区外，覆盖面积的相对误差控制在±13.16% 以内。尤为重要的是，在沿飞行方向的体积变化与累积沉积量对比中，扩展模型的预测结果与实验数据一致性极佳，其累积沉积量的相对误差低至 -6.51%，而原始模型的误差高达 23.55%。这一结果有力证实了考虑非定常流量特性对于提高洒落模式预测精度的必要性。

**结论与展望**
本研究成功建立了一个 fully analytical model（全解析模型），实现了从罐体几何构型、罐门布局、排放系统类型等关键设计参数到排放流率及地面洒落模式的直接映射。该模型不仅克服了传统数值模拟计算资源消耗大的瓶颈，还修正了恒定流假设带来的系统性误差，为 Evergreen 747 Supertanker、AG600 等主流机型的任务系统迭代优化提供了强有力的工具。研究结论指出，各种输送系统参数对排放流和洒落模式具有显著的诱导效应，精确量化这些效应是提升航空灭火效能的关键。尽管当前模型在单相流假设下表现优异，但未来研究仍需进一步探讨出口处的两相流现象（如空气卷吸）、拓展更多样化的实验场景验证，并深入探究真实火场环境（强风、高温上升气流等）对洒落效率的影响，以期实现更加精准的多目标灭火任务规划。