趙建賀,王 冉,俞 進(jìn),石 泳,趙新攀
(中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部,北京 100094)
載人航天器內(nèi)存在大量的電氣設(shè)備和較多的非金屬材料,且擁有高濃度(高質(zhì)量密度)的氧氣環(huán)境。電路過載、短路,設(shè)備過熱,氧氣泄漏等是載人航天器內(nèi)火災(zāi)事故的主要隱患。例如:1970年美國“阿波羅13號”飛船登月飛行時,服務(wù)艙因電路過載、短路引起局部爆炸,致使電力、氧氣、水供應(yīng)不足,最終航天員通過登月艙艱難返回地球;1997年,“和平號”空間站氧氣發(fā)生器破裂引起火災(zāi)(后被航天員撲滅);美國航天飛機(jī)也多次發(fā)生火災(zāi)事故[1-3]。
對于微重力燃燒,中國科學(xué)院國家微重力實(shí)驗(yàn)室曾通過落塔火災(zāi)試驗(yàn)來模擬失重環(huán)境下的火災(zāi)[4];曹龍曾主要對微重力條件下火焰沿固體燃料、纖維素燃料表面?zhèn)鞑C(jī)理及蠟燭火焰特征進(jìn)行了研究[5]。這些都是對微重力情況下單個火焰的燃燒情況進(jìn)行的研究。對微重力環(huán)境下整個火災(zāi)流場的特性研究,地面試驗(yàn)根本無法實(shí)現(xiàn),即使在軌也難以進(jìn)行全尺寸火災(zāi)流場試驗(yàn)。但是利用數(shù)值模擬方法可以經(jīng)濟(jì)、高效地完成載人航天器在微重力環(huán)境下的火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律研究。胡海兵等曾對國際空間站艙室內(nèi)微重力火災(zāi)進(jìn)行過數(shù)值模擬,主要對頂棚45°送風(fēng)、地板自然回風(fēng)狀況進(jìn)行了仿真研究[6]。
本文選取載人航天器典型密封艙作為研究對象,采用FDS軟件對密封艙內(nèi)火災(zāi)流場進(jìn)行了數(shù)值仿真。主要對頂面45°斜送風(fēng)、前錐側(cè)面送風(fēng)及后錐面回風(fēng)的情況進(jìn)行了研究,得到了不同場景下的煙氣溫度、濃度分布規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果將為載人航天器密封艙艙內(nèi)火災(zāi)探測器的安裝布局設(shè)計提供一定參考。
FDS(Fire Dynamics Simulator)[7-8]是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology)開發(fā)的火災(zāi)專用仿真軟件。該軟件采用大渦模擬(LES)模型,可較準(zhǔn)確地對模擬火災(zāi)的流場、溫度場、壓力場、煙氣組分濃度場等進(jìn)行仿真分析[9-12],簡單易用,可靠性高。NASA曾采用FDS軟件對微重力燃燒進(jìn)行了多工況研究,驗(yàn)證了該軟件進(jìn)行微重力火災(zāi)仿真的可靠性與有效性[8]。
大渦模擬(LES)技術(shù)是一種介于雷諾時均應(yīng)力方程(RANS)與直接數(shù)值模擬(DNS)之間的數(shù)值模擬技術(shù)[13-14]。其主要思想是:在湍流動能傳輸過程中,大尺度脈動幾乎包含所有湍流動能,而小尺度脈動主要是耗散湍流動能;通過濾波操作[15-16],將大尺度渦與小尺度渦分離開。在大渦模擬控制方程求解過程中,先對攜帶動量、能量信息的大尺度渦進(jìn)行精細(xì)計算,然后對小尺度渦進(jìn)行建模使方程組封閉。與大尺度渦相比,小尺度渦具有相似性、通用性,且其受邊界條件影響較小,與其他類似模型相比,只需進(jìn)行較小的調(diào)整就可應(yīng)用到不同的流動條件[17]。
LES方法的準(zhǔn)確性較RANS高,并且由于放棄了直接計算小尺度的脈動,從而可放大數(shù)值模擬的時間和空間步長,緩解對計算機(jī)硬件的苛刻要求,大大減少了計算的工作量。
選取某典型載人航天器密封艙為分析對象,根據(jù)人活動區(qū)域通風(fēng)回路設(shè)計,建立密封艙人活動區(qū)簡化分析模型,如圖1所示。經(jīng)過簡化的密封艙尺寸為4.0 m×1.6 m×1.9 m(高),參考坐標(biāo)系原點(diǎn)位于密封艙底面中心。計算網(wǎng)格為0.02 m×0.02 m×0.02 m的正方體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)共計1 520 000個。計算時間為200 s。
圖1 密封艙艙室示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the sealed cabin
送風(fēng)口分為頂部送風(fēng)口與側(cè)壁送風(fēng)口。頂部送風(fēng)口主要為人活動區(qū)送風(fēng),尺寸為0.04 m×0.04 m,共18個,在頂面兩側(cè)對稱布置,呈45°向密封艙內(nèi)送風(fēng),總流量為3.4 m3/s。為前錐面處安裝的儀器設(shè)備進(jìn)行散熱,側(cè)壁設(shè)置帶型送風(fēng)口兩個,尺寸為0.02 m×1.9 m,對吹向前錐面,總流量為3.6 m3/s。為保證流場內(nèi)氣流速度分布的均勻性,回風(fēng)口置于后錐面的下方,尺寸為1.6 m×0.3 m,流量為7.0 m3/s。
載人航天器密封艙中火災(zāi)風(fēng)險源主要為儀器的電路過載失火[1,18-20],根據(jù)火災(zāi)荷載分析,火源尺寸設(shè)置為0.2 m×0.2 m,熱釋放速率為10 kW,炭黑生成率為0.1。
本文對強(qiáng)制通風(fēng)及無通風(fēng)情況下的密封艙火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬,火源位置及通風(fēng)狀況見表1。
表1 火災(zāi)場景設(shè)置Table 1 Fire cases
通過示蹤粒子可以更加直觀地查看艙室內(nèi)的通風(fēng)情況。如圖2所示,頂部18個通風(fēng)口斜向下45°送入新風(fēng);前錐面兩個帶型送風(fēng)口對吹,為前錐面處安裝的電子設(shè)備散熱。
圖2 通風(fēng)情況粒子示蹤圖(場景A)Fig. 2 Schematic diagram of the particle trace (Case A)
密封艙內(nèi)火災(zāi)探測器要求在1~2 min內(nèi)報警[6],故本文選取火災(zāi)發(fā)生后 90 s時刻的流場作為分析對象。圖3~圖7分別對比了同樣火源位置、不同通風(fēng)狀況下的煙氣溫度(單位:℃)分布規(guī)律,可見,存在通風(fēng)時,流場高溫區(qū)域溫度可達(dá) 550~750 ℃,而無通風(fēng)時最高溫度約280 ℃。這是由于通風(fēng)加強(qiáng)了流場擾動,為燃燒提供了充足的氧氣。
觀察圖3(b)~圖7(b),可以發(fā)現(xiàn)在無通風(fēng)情況下,火源位置處溫度呈半球型背對艙壁對稱均勻分布,這是因?yàn)槲⒅亓Νh(huán)境缺乏自然對流,所以溫度差不能驅(qū)動煙氣形成浮力羽流。還可以看到火源中心有一低溫區(qū)域,這是由于火焰燃燒形成了一個球殼形火焰墻,外部氧氣無法進(jìn)入火球中心參與燃燒,球內(nèi)部沒有燃燒發(fā)生,更無熱量產(chǎn)生,所以球心處溫度相對較低。
圖3 火源置于底面中心,y=0截面Fig. 3 Fire on the center of underside, y=0
圖4 火源置于側(cè)面中心,x=0截面Fig. 4 Fire on the center of side,x=0
圖5 火源置于頂面中心,y=0截面Fig. 5 Fire on the center of topside, y=0
圖6 火源置于前錐面中心,y=0截面Fig. 6 Fire on the center of front, y=0
圖7 火源置于后錐面中心,y=0截面Fig. 7 Fire on the center of back, y=0
觀察圖3(a)~圖7(a)發(fā)現(xiàn):艙室底面發(fā)生火災(zāi)時,在送風(fēng)及回風(fēng)的共同作用下,火焰向回風(fēng)口處傾斜;側(cè)壁發(fā)生火災(zāi)時,高溫區(qū)域沒有被“吹”遠(yuǎn)離送風(fēng)口,反而是在流場回旋氣流的作用下更加貼近了送風(fēng)口;頂面發(fā)生火災(zāi)時,高溫?zé)煔庠谒惋L(fēng)及回風(fēng)作用下向回風(fēng)口處運(yùn)動;圖6(a)中火災(zāi)發(fā)生在前錐面中心,在前錐面兩側(cè)對吹氣流的作用下,高溫氣流很快流向后錐,高溫氣流帶長約2 m,占據(jù)了半個密封艙;圖7(a)中,在回風(fēng)口的強(qiáng)制通風(fēng)作用下,后錐面上產(chǎn)生的高溫?zé)煔獗怀槲M(jìn)了回風(fēng)口。
圖8~圖 12分別對比了同樣火源位置、不同通風(fēng)狀況下的煙氣濃度(單位:kg/m3)分布規(guī)律。煙氣濃度均在0.0 002~0.0 026 kg/m3范圍內(nèi)。
通過溫度云圖與濃度云圖對比后可知,煙氣溫度分布與濃度分布規(guī)律幾乎一致,這是因?yàn)闊煔庠诼舆^程中,煙霧顆粒攜帶著熱量一同流動。
圖8 火源置于底面中心,y=0截面Fig. 8 Fire on the center of underside, y=0
圖9 火源置于側(cè)面中心,x=0截面Fig. 9 Fire on the center of side, x=0
圖10 火源置于頂面中心,y=0截面Fig. 10 Fire on the center of topside, y=0
圖11 火源置于前錐面中心,y=0截面Fig. 11 Fire on the center of front, y=0
圖12 火源置于后錐面中心,y=0截面Fig. 12 Fire on the center of back, y=0
對于無通風(fēng)情況下的火災(zāi),煙氣高溫及高濃度區(qū)均在火源附近??紤]到大功率電子設(shè)備為主要的火災(zāi)隱患,應(yīng)在這些設(shè)備周圍布置火災(zāi)探測器。
大多數(shù)情況下,密封艙內(nèi)存在強(qiáng)制通風(fēng)。根據(jù)仿真結(jié)果,此時須在大功率設(shè)備流場下游附近約0.5~1.0 m處布置火災(zāi)探測器。另外,流場中煙霧會較快流動到回風(fēng)口處,因此需要在回風(fēng)口附近布置火災(zāi)探測器,以便盡早發(fā)現(xiàn)災(zāi)情。
采用 FDS軟件對典型載人航天器密封艙進(jìn)行了火災(zāi)數(shù)值模擬,獲得結(jié)論如下:綜合考慮密封艙內(nèi)通風(fēng)狀況,需在大功率電子設(shè)備流場下游約0.5~1.0 m處及回風(fēng)口附近布置火災(zāi)探測器。另外,為保證火災(zāi)探測器的可靠性,需將差定溫探測器與離子感煙探測器成對布置,二者互為備份。
(References)
[1]張夏. 載人航天器火災(zāi)安全研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展,2005, 35(1): 100-115 Zhang Xia. Progress in fire safety research for manned spacecraft[J]. Advances in Mechanics, 2005, 35(1):100-115
[2]張夏. 微重力燃燒研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2004, 34(4):507-528 Zhang Xia. Research advances on microgravity combustion[J]. Advances in Mechanics, 2004, 34(4):507-528
[3]王奇. 研制空間實(shí)驗(yàn)室煙火檢測和消防系統(tǒng)[J]. 航天器環(huán)境工程, 2004, 21(14): 44-50 Wang Qi. Development of smoke/fire detection and suppression system of space laboratory[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2004, 21(14): 44-50
[4]杜文峰, 孔文俊, 張孝謙. 微重力下環(huán)境壓力對火焰?zhèn)鞑サ挠绊慬J]. 工程熱物理學(xué)報, 2001, 22(6): 775-778 Du Wenfeng, Kong Wenjun, Zhang Xiaoqian. The effect of ambient pressure on the flame spread in microgravity[J]. Journal of Engineering Thermophysics,2001, 22(6): 775-778
[5]曹龍. 特殊條件下燃燒過程的機(jī)理研究[D]. 上海海事大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2005: 1-59
[6]胡海兵, 王彥, 王鋒, 等. 載人航天器艙內(nèi)火災(zāi)煙霧分布規(guī)律數(shù)值模擬研究[J]. 載人航天, 2012, 18(1): 55-59 Hu Haibing, Wang Yan, Wang Feng, et al. Yongming.Numerical simulation research of distribution of fire smoke within manned spacecraft’s cabin[J]. Manned Spaceflight, 2012, 18(1): 55-59
[7]McGrattan K, McDermott R, Hostikka S, et al. Fire dynamics simulator: User’s guide[M]. Version 5. Maryland:National Instute of Standards and Technology, 2010:1-219
[8]McGrattan K, Hostikka S, Floyd J, et al. Fire dynamics simulator: Technical Reference Guide[M]. Version 5.Maryland: National Instute of Standards and Technology,2010: 1-85
[9]McGrattan K, Rehm R, Baum H. Fire-driven flows in enclosures[J]. Journal of Computational Physics, 1994(110): 285-291
[10]McGrattan K, Baum H, Rehm R. Numerical simulation of smoke plumes from large oil fires[J]. Atmospheric Environment, 1996, 30(24): 4125-4136
[11]McGrattan K, Baum H, Rehm R. Large eddy simulation of smoke movement[J]. Fire Safety Journal, 1998(30):161-178
[12]Floyd J, McGrattan K, Hostikka S. CFD fire simulation using mixture fraction combustion and finite volume radiative heat transfer[J]. Journal of Fire Protection Engineering, 2003(13): 11-36
[13]Martin M P, Piomelli U, Candler G V. Subgrid-scale models for compressible large-eddy simulation[J]. Theoretical and Computational Fluid Dynamics, 2000, 13(5): 361-376
[14]劉奕, 郭印誠, 張會強(qiáng), 等. 大渦模擬及其在湍流燃燒中的應(yīng)用[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2001, 31(2): 215-226 Liu Yi, Guo Yincheng, Zhang Huiqiang, et al.Application of large eddy simulation to turbulent combustion[J]. Advances in Mechanics, 2001, 31(2):215-226
[15]鄒高萬, 劉順隆, 周允基, 等. 室火轟燃的大渦模擬[J].空氣動力學(xué)學(xué)報, 2006, 24(1): 10-14 Zou Gaowan, Liu Shunlong, Zhou Yunji, et al. Large eddy simulation of a compartment flashover fire[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2006, 24(1): 10-14
[16]Zhao Jianhe, Gao Ye, Wu Hongmei, et al. Large eddy simulation of smoke movement in a teaching building[C]∥Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management.Hong Kong, China, 2009: 2453-2457.
[17]趙建賀. 長通道內(nèi)熱浮力驅(qū)動流流動特征研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文, 2012: 16-29
[18]張孝謙, 胡文瑞. 載人航天器的安全防火[J]. 載人航天, 2009, (2): 22-28 Zhang Xiaoqian, Hu Wenrui. Fire safety concerns in spacecraft[J]. Manned Spaceflight, 2009, (2): 22-28
[19]沈?qū)W夫. 載人航天器的防火與滅火技術(shù)[J]. 中國空間科學(xué)技術(shù), 1994(1): 46-51 Shen Xuefu. Fire prevention and extinguishing technology for manned spacecraft[J]. Chinese Space Science and Technology, 1994(1): 46-51
[20]Friedman R, Sacksteder K R. Fire behavior and risk analysis in spacecraft, NASA-TM-100944[R]. N89-10111