火災與電磁波的相互作用在滅火救援與火災控制中的應用

楊華

摘 要：等夠影響到電子波的因素有很多，如果電磁波作為信號傳輸，那么要求相當高，不能夠有出錯，如果是作為能量傳輸，那么久需要盡可能的減少信號損失。而燃燒過程以及燃燒過程中的相關產(chǎn)物與電磁波的傳播存在相互作用與相互影響。本文基于對前人研究成果的分析研究的基礎上，分別從燃燒過程對電磁波的傳播產(chǎn)生的影響以及電磁波對燃燒過程產(chǎn)生作用兩個不同角度，對火災與電磁波的相互作用在滅火救援和火災控制中的幾種可能的應用進行了分析。

關鍵詞：電磁波 滅火救援 火災控制

中圖分類號：TU892文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

能影響電磁的因素非常多，如果作為信號傳輸，要求很高，不能出錯。如果作為能量傳輸，那么就要求消耗要少。

油包括食用油，工業(yè)用油包括作為燃料用，機器用，還有很多用途。根據(jù)油的作用方式，對電磁波的傳輸?shù)乃俣龋芰浚较蚨加幸恍┯绊憽?/p>

火災是指在時間或空間上失去控制的燃燒所造成的災害。燃燒現(xiàn)象是發(fā)生在燃料與氧氣之間的伴隨有發(fā)光發(fā)熱現(xiàn)象的劇烈放熱反應。完全燃燒的產(chǎn)物主要為CO2、H2O等穩(wěn)定狀態(tài)的產(chǎn)物，但是通常情況下這類反應完全的燃燒現(xiàn)象在火災中并不常見。不完全燃燒的化學反應過程非常復雜，通常產(chǎn)物包括CO、H2和碳顆粒等。火焰是燃燒過程的可見區(qū)域。實際的燃燒化學反應主要在位于火焰發(fā)光區(qū)域邊緣的主反應區(qū)內(nèi)進行。室內(nèi)火災的火焰為擴散火焰，氧氣擴散進入燃燒區(qū)域后迅速被消耗掉。空氣湍流運動加速了反應物的混合，增加了火焰面的面積。目前被普遍認可的兩種火焰電離機理為化學電離和熱電離[1]。室內(nèi)火災的燃燒過程，同時包括了這兩種電離機理。正是燃燒過程中由化學電離和熱電離過程產(chǎn)生的大量電離產(chǎn)物，對經(jīng)過燃燒區(qū)域的電磁波存在衰減和散射作用。燃燒過程與電磁波之間的作用是相互的，不僅燃燒過程對電磁波的傳播會產(chǎn)生影響，同時電磁波在某種條件下也可以對燃燒過程產(chǎn)生作用。因此，本文從以上兩個不同角度對火災與電磁波的相互作用對滅火救援和火災控制所產(chǎn)生的各種影響進行分析。

1 火災作為干擾源——對無線通信網(wǎng)絡的影響

目前滅火救援過程中，無線通信設備是主要的火場通訊工具。目前使用較廣泛的無線通信技術的所在頻段均可受到燃燒過程的影響，如2.4GHz頻段的Zigbee，藍牙，HomeRF，MESH，微蜂窩技術和5GHz頻段的IEEE802.11a和HyperLANZ等。探究火災環(huán)境下火焰及煙氣對于無線信號傳輸特性的影響具有一定的必要性。以消防員火場地位系統(tǒng)最常用的Zigbee技術為例，在存在火災干擾的情況下，無線通信傳感網(wǎng)絡由于火災的干擾無法正常有效的傳輸信息。如圖1、圖2所示的情況下，關鍵連通區(qū)域或狹長封閉空間發(fā)生火災時，無線傳輸網(wǎng)絡將受到火災的影響。在這種情況下，消防員火場定位系統(tǒng)和消防救援人員在火場內(nèi)作戰(zhàn)通訊使用的單兵無線通信設備等均會受到火災的影響。

針對灌木林火對無線通信信號造成衰減的機理， M. Jacob等人對森林植被火焰中電離產(chǎn)生的電子濃度和碰撞頻率進行了研究[2]。雖然上述研究對火災對于無線通信信號的影響進行了研究，但是主要針對林地植物燃燒的小尺寸火焰以及開敞空間中林地植物生物質燃燒進行研究。對于建筑物內(nèi)部發(fā)生火災時無線傳輸網(wǎng)絡受到火災的影響進行研究十分必要。

圖1 關鍵連通區(qū)域火災對無線傳輸網(wǎng)絡的影響

圖2 狹長封閉空間火災對無線傳輸網(wǎng)絡的影響

2 火災作為被探測物——電磁波火災探測器的應用

C. J. Coleman和J. A. Boan通過基爾霍夫積分法給出了火焰對于1GHz以下的無線信號傳輸?shù)挠绊懙哪M計算方法[3]。在火焰與無線信號傳輸?shù)南嗷プ饔玫臄?shù)值模擬方面，有限差分時域方法（FDTD）得到了比較廣泛的應用。該方法最早由K. S. Yee[4]提出，其模型基礎就是電動力學中最基本的麥克斯韋方程。J. L. Young[5]和S. A Cummer等人應用有限差分時域方法對電磁波通過冷等離子體進行了研究。隨著有限差分時域方法算法的不斷改進，該方法已經(jīng)被廣泛的應用于傳感網(wǎng)絡的信號傳輸模擬研究中。基于以上理論模型的研究，可以清楚的看到電磁波傳播經(jīng)過火焰時會發(fā)生一定的變化。

3 電磁波作為滅火工具——電磁波滅火器的構想

火災與電磁波的作用是相互的，火災對電磁波傳播產(chǎn)生影響的同時，強電磁波產(chǎn)生的電子束也可以改變火焰中電離產(chǎn)物以及煙塵顆粒的方向，從而產(chǎn)生氣流來削弱火焰的強度，使火焰發(fā)生扭曲、閃爍，當產(chǎn)生的電流足夠大時，可在短時間內(nèi)將火焰熄滅。電磁波滅火器是基于這一原理研制的一種新型的滅火設備，它利用粒子學原理來對火勢進行控制，以此來降低火焰的強度；這種技術還能應用于建筑物天花板上的“電子噴頭”，可以讓其在發(fā)生火災時第一時間對火勢進行報警和控制。目前這種滅火器在封閉空間內(nèi)使用較有效，但對于油罐火災等大型火災，仍然無法取代傳統(tǒng)滅火劑的滅火效果。同時，電磁波滅火的機理也尚未完全搞清。相對于水、泡沫、干粉等傳統(tǒng)滅火劑，電磁波不會對設備、物品等產(chǎn)生覆蓋，不會由于二次損傷造成不必要的損失。這種技術如果能作為固定滅火設施應用于建筑內(nèi)，將可以十分便利的在第一時間內(nèi)對火勢進行控制。同時，作為滅火戰(zhàn)斗人員，也可以配備此類電磁波滅火器進行遠距離滅火。

4 結語

無線傳感通信信號在火災環(huán)境下的傳播行為是一個嶄新的研究領域。對于普通無線設備而言，火災環(huán)境是一種特殊工作環(huán)境，在火災環(huán)境下工作的時間和機率不高；但是，對于無線火災防控設備而言，火災環(huán)境就是其工作環(huán)境。網(wǎng)絡化、智能化的火場指揮、通信設備及系統(tǒng)，以及固定火災防控設施及系統(tǒng)，需要在火災環(huán)境下保證其信號傳輸?shù)臏蚀_無誤，因此對火災環(huán)境下的無線信號傳輸提出了現(xiàn)實要求。然而，目前國內(nèi)外針對室內(nèi)環(huán)境中煙氣及火焰對于無線信號傳輸?shù)挠绊懸约盁o線信號在室內(nèi)火災環(huán)境下傳播特性的研究仍然較少，并處于初步研究的階段。因此室內(nèi)環(huán)境中煙氣及火焰對于無線信號傳輸影響的研究，亟待進一步深入開展。

[1] E. S. Semenov， A. S. Sokolik. Thermal and chemical ionization in flames [J]. Combustion， Explosion and Shock Waves， 6（1）： 37， 1970.

[2] Mohan Jacob， Mal Heron， KgakgamatsoMphale. Prediction and measurement of electron density and collision frequency in a weakly ionised pine fire [J]. International Journal of Infrared and Millimetre Waves， 28： 251–262， 2007.

[3] C. J. Coleman， J. A. Boan. A Kirchhoff integral approach to radio wave propagation in fire [C]. Honolulu ： IEEE Antennas and Propagation Symposium， 2007.

[4]Kane S. Yee. Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwells equations in isotropic media [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 14（3）： 302– 307， 1966. The first and readily quoted article on the FDTD Method， Yee Cell.

[5]J. L. Young. A full finite difference time domain implementation for radio wave propagation in a plasma [J]. Radio Science， 29（6）：1513， 1994.