張鳳香，吳曉偉

(海軍裝備研究院，北京100161)

艙室消防預案數(shù)值模擬設(shè)計及實現(xiàn)

張鳳香，吳曉偉

(海軍裝備研究院，北京100161)

摘要:為提高水面艦船消防預案的有效性，針對制定艦船消防預案的需求，設(shè)計了具有工程實用性的數(shù)值模擬方案，并以某一主機艙所處防火主豎區(qū)為典型案例，采用火災動力學場模擬方法，模擬起火艙室及相鄰艙室采取滅火措施后的艙內(nèi)煙氣溫度、艙壁和頂壁溫度、CO氣體濃度、能見度等參數(shù)隨時間的變化，并分析火災對撲救人員的威脅以及滅火措施對火災控制的影響。實例計算表明，及早發(fā)現(xiàn)初火并正確操作至關(guān)重要，沒有控制住且進一步發(fā)展的火災，機械通風狀態(tài)對艙內(nèi)火災早期煙氣運動的影響較大，艙壁噴水冷卻對降低艙壁溫度效果明顯，但封艙滅火后需要較長時間才能達到安全狀態(tài)等。數(shù)值模擬結(jié)果對進一步細化消防預案具有重要意義。

關(guān)鍵詞:水面艦船;火災;消防預案;場模擬

The design and numerical simulation of the predetermined firefighting plan of surface vessels

ZHANG Feng-xiang，WU Xiao-wei
(Naval Academy of Armaments，Beijing 100161，China)

Abstract:In order to raise the feasibility of predetermined fire-fighting plans，someplans were designed and calculated with field-simulation numerical model．Taking a vertical fire zone with a machinery cabin as a typical example，the program of the simulation were designed first，then the main factors of the on-fire cabin and adjacent cabins were calculated．The effects of the fire-fighting plans on fire-fighting were analysed．The simulation results could be significantly meaningful for establishing fire-fighting plans．

Key words:surface vessel; fire; fire-fighting plan;field simulation

0　引言

制定科學合理的消防預案是控制艦船火災危害的重要手段［1］，傳統(tǒng)上根據(jù)艦船損管條例、規(guī)范以及火災事故案例制定各船的消防預案，作為艦船消防作業(yè)及艦員訓練的指南。但由于火災對設(shè)備以及人員的破壞性以及消防過程的綜合性和復雜性，進行實船考核驗證的風險性較高、耗資也較大，其有效性往往得不到驗證。隨著建筑設(shè)計中的火災仿真技術(shù)逐漸成熟，將數(shù)值仿真用于艦船火災研究正在得到迅速發(fā)展［2－8］，如美國國家標準技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的火災動力學場模型軟件(FDS)對于艦船火災艙室具有較好的適用性，因此，以其作為主要模擬分析工具，探索應(yīng)用數(shù)值模擬方法解決艦船消防預案的有效性評估問題非常重要。

本文擬選取某機艙及所在防火主豎區(qū)為研究對象，模擬其可能出現(xiàn)的著火事故及艦員采取不同的滅火措施時艙內(nèi)溫度、有害氣體濃度等隨時間的變化，分析其對撲救人員的威脅，并分析對同一主豎區(qū)相鄰艙室的影響，評價不同滅火措施介入對滅火效果的影響，評估艙室發(fā)生火災后艦員所采取的滅火對策的有效性，提出滅火中需要注意和把握的問題。

1　計算模型及邊界條件

1.1計算模型

本文用火災動力學場模型軟件(FDS 4.07)作為模擬工具，F(xiàn)DS是基于大渦模擬技術(shù)計算流體力學(CFD)軟件，可以計算燃燒所引起的流動及傳熱問題，包括噴淋系統(tǒng)的作用等［10］，在消防安全工程研究中得到了廣泛應(yīng)用［10－14］。通過數(shù)值方法求解Navier－Stokes方程來分析燃燒過程中煙氣流動過程和傳熱過程。主要包含有燃燒模型、熱輻射模型和熱裂解模型等。燃燒模型通常采用混合分數(shù)模型，認為燃料和氧氣的反應(yīng)速度無限快，這樣的假設(shè)在室內(nèi)火災場景中合適。反應(yīng)物和燃燒產(chǎn)物都可以由氣體狀態(tài)方程以及火災理論得到。輻射熱傳導則是將煙顆粒視為非散射灰體介質(zhì)，通過求解熱輻射方程計算火災過程中熱煙氣的輻射危害性。熱解模型則利用木材熱解模型。求解FDS控制方程組的核心算法是一種顯式的預估－校正方法，時間和空間的精度都為2階［10］。

1.1.1控制方程組

將建筑分成小的三維計算單元(控制體)，計算每個單元內(nèi)氣體的密度、速度、溫度、壓力和組分濃度，從而給出火災中的煙氣流動和傳熱過程，采用可壓縮理想氣體的質(zhì)量、動量和能量守恒方程。l

式中:ρ為氣體密度; u為氣體速度; Yl為組分的質(zhì)量分數(shù); Dl為組分l的傳質(zhì)系數(shù); mml為組分l的質(zhì)量流量;ρ為氣體壓力; g為當?shù)刂亓铀俣? f為氣體上的外部力;τ為粘性力張量; h為焓值; qr為輻射熱通量向量; K為空氣的熱傳導率; T為氣體溫度; hl為組分l的焓。

1.1.2火源模型

火源的熱釋放速率

式中: Q·為火源的熱釋放速率，MW;χ為燃燒效率; m·為質(zhì)量燃燒速率，kg/s;ΔH為燃燒熱，MJ/kg。

油池火質(zhì)量燃燒速率預測模型:

式中，m·″∞為最大單位面積質(zhì)量燃燒速率，kg·m－2·s－1; kβ為經(jīng)驗常數(shù)。

熱釋放速率大體按指數(shù)規(guī)律增長，用t2火進行估算。

式中α為火災增長系數(shù)，kW/s2。

1.2邊界條件

邊界條件主要包括火災發(fā)生的場所、起因、火災類型、火災大小和火災發(fā)展過程影響因素等。

火災發(fā)生的場所選取具有代表性的某主機艙為研究對象。圖1為模擬區(qū)域的三維模型剖視圖，圖2為模擬區(qū)域的俯視圖。

圖1　模擬區(qū)域三維模型剖視圖Fig.1 Modeled diagrammatic cross-section

圖2　某主機艙俯視圖Fig.2 Aft-engine room overlook-section

火災起因是柴油機或輸油管路發(fā)生泄漏，碰到高溫壁面引發(fā)著火。B類火災，火災類型為油池火，著火位置在兩柴油主機的中間。

火勢大小取小火、中火2種。其中小火為只需在現(xiàn)場使用移動式滅火器就可以撲滅，中火為小火沒撲滅繼續(xù)發(fā)展成一個艙室內(nèi)或防火主豎區(qū)的火災。火源強度設(shè)最大達到滅火等級為55B滅火器所能撲滅的火源大?。?5］，即面積為1.73 m2油火，柴油火熱釋放速率約為3.5 MW。

物理邊界考慮了主要壁面和較大設(shè)備對火災的影響;自然通風條件考慮通往上層的水平開口;機械通風條件根據(jù)實際操作的情況設(shè)定，通風狀態(tài)1: 2臺送風機，2臺排風機都工作;通風狀態(tài)2: 2臺送風機工作、2臺排風機關(guān)閉;通風狀態(tài)3: 2臺送風機關(guān)閉，2臺排風機工作;通風狀態(tài)4: 2臺送風機，2臺排風機都關(guān)閉。主機艙主送風機2臺，排風機2臺。

當前滅火劑與火源的相互作用難以用數(shù)值模擬方法模擬出來，且研究重點是著火后艦員采取不同的滅火行為后火場環(huán)境的變化，因此本文只考慮滅火措施有效與否，假設(shè)如果滅火措施有效，火源將在一定時間內(nèi)被撲滅，如果滅火措施無效，火源至多會在撲滅過程中停止增長，滅火措施動作結(jié)束后，火源會繼續(xù)增長。

2　數(shù)值模擬方案設(shè)計

2.1小火場景

小火場景針對某主機艙著火后艦員使用手提滅火器進行滅火的情況，主要考察開始滅火的時間(或滅火時機)對起火艙及相鄰艙室火災發(fā)展情況的影響，主要包括主機艙頂、前、后艙壁的溫度隨時間變化;主機艙及煙氣可蔓延到的艙室煙氣能見度隨時間的變化;主機艙的CO濃度隨時間的變化。

根據(jù)手提式滅火介入時刻不同，將小火場景分為小火場景1 (30 s介入)、小火場景2 (60 s介入)、小火場景3 (90 s介入)和小火場景4 (無介入)，有滅火器介入場景中滅火劑的噴射時間10 s。其中小火場景3的火災熱釋放速率設(shè)計曲線見圖3 (a)。模擬時間600 s。沒有機械通風(通風狀態(tài)4)，通道口開啟，煙道與外界連通。

2.2中火場景

中火場景針對著火后使用手提滅火器、關(guān)閉通風、使用推車式滅火器、進行艙壁噴水冷卻等滅火行動過程，主要考察采用多種消防手段對起火艙及相鄰艙室火災發(fā)展情況的影響，主要包括主機艙頂部艙壁、前、后艙壁的溫度隨時間變化;煙氣可蔓延到的各個艙室的煙氣溫度隨時間變化;煙氣可蔓延到的各個艙室的CO濃度隨時間的變化;是否會造成其他艙室的起火。

圖3　小火場景3熱釋放速率曲線Fig.3　Heat release rate curve of small-size fire scene 3

圖4　中火場景熱釋放速率曲線Fig.4　Heat release rate curve of medium-size fire

中火場景中設(shè)初始火源10 s內(nèi)增長至超過3.5 MW，使用手提式滅火器、推車式滅火器后火災熱釋放速率保持3.5 MW，3.97 MW，10.061 MW，火災熱釋放速率曲線見圖4 (a)。初始機械通風分別考慮通

風狀態(tài)1 (中火場景1)、通風狀態(tài)2 (中火場景2)、通風狀態(tài)3 (中火場景3)三種狀態(tài)，通道口開啟，煙道與外界連通。模擬時間1 200 s。

3　計算結(jié)果及分析

3.1小火場景

圖5～圖8給出了小火場景3的計算結(jié)果。起火后90 s時刻，各考察面的能見度大于10 m，CO濃度小于1 400 ppm，由于火源很快被撲滅，在火災過程中煙氣不會對各艙室人員安全構(gòu)成威脅。除起火部位外，某主機艙四周壁面及頂壁溫度達到100℃;配電板室地面壁面溫度達到70℃，接觸到這些壁面的人員均有被灼傷的危險。艙段火焰及煙顆粒分布圖見圖5，火源XY剖面溫度場分布見圖6，某主機艙層Z剖面的溫度場見圖7，某配電板室層Z剖面的溫度場見圖8。

該主機艙、配電室的可用人員安全疏散時間，以及某主機艙壁面、配電室地面的壁面溫度結(jié)果如表1所示。

圖5　艙段火焰及煙顆粒分布圖Fig.5 Flame and smoke distribution

圖6　火源xy剖面溫度場Fig.6　Source of ignition xy-profile temperature field

圖7　某主機艙剖面(z = 2.1 m)溫度場Fig.7 Aft-engine room z－profile temperature field

圖8　某配電板室剖面(z = 6.8 m)溫度場Fig.8　Power distribution room z－profile temperature field

表1　小火場景計算結(jié)果Tab.1　Results of small-size fire

根據(jù)上述計算結(jié)果，得出把握好滅火時機的量化結(jié)論如下:

1)若在90 s內(nèi)艦員能采取滅火行動，正確使用滅火器，在10 s內(nèi)將火災撲滅，則某主機艙及上層艙室在火災過程中不會對滅火人員構(gòu)成威脅，四周壁面溫度較低，不足以引起相鄰艙室起火。

2)如果起火沒有得到有效控制，艙內(nèi)也僅可維持150 s左右的安全時間，配電室和齒輪箱艙分別在180 s和434 s時溫升達到139℃，可能產(chǎn)生蔓延危險。

3)應(yīng)對滅火器配置性能及艦員滅火行動時間提出嚴格要求，力求滅火器滅火能力足夠、艦員能正確操作，要求在起火后60 s至多90 s內(nèi)應(yīng)完成滅火準備，開始向火源噴射滅火劑，滅火過

程中注意壁面皮膚接觸主機及艙壁，以免灼傷皮膚。

3.2中火場景

圖　9火焰及煙顆粒分布圖Fig. 9　 Aft-engine room temperature field

圖　10火源xy剖面溫度場Fig. 10　 Power distribution room temperature field

圖　11某主機艙剖面( z = 2. 1 m)溫度場Fig. 11 Aft-engine room temperature field

圖　12某配電室層剖面( z = 6. 8 m)溫度場Fig. 12　 Power distribution room temperature field

該主機艙四周壁面及頂壁溫度最高可達到300℃左右;配電室地面和齒輪箱艙壁面在噴水裝置保護下，最高溫度小于100℃。

該主機艙、配電室層的可用人員安全疏散時間，以及某主機艙壁面、配電室地面和齒輪箱艙壁面的最高溫度等結(jié)果如表2所示，主機艙可用安全疏散時間較短，配電室層相對較長，壁面溫度都均超過人體耐受極限溫度。

表2　中火場景計算結(jié)果Tab. 2 Results of the medium-size fire

根據(jù)上述計算結(jié)果，得出以下結(jié)論:

1)通風狀態(tài)的影響。初始通風狀態(tài)對艙內(nèi)火災早期煙氣運動的影響較大，在通風狀態(tài)1 (2臺送風機、2臺排風機都工作)和通風狀態(tài)2下(2臺送風機工作)，艙內(nèi)氣體環(huán)境在100 s左右到達危險，而在通風狀態(tài)3下(2臺排風機工作)，艙內(nèi)氣體環(huán)境在70 s左右即到達危險。

2)艙壁噴水冷卻的效果。在噴水冷卻(配電室3×120 L/min，齒輪箱艙5×120 L/min)的情況下，配電室地面和齒輪箱艙壁面最高溫度由300℃被控制在60℃～100℃左右，可以避免火災通過壁面高溫引起隔艙火蔓延。

3)滅火中艙壁的溫度。機艙內(nèi)壁面最高溫度約在300℃左右，配電室地面和齒輪箱艙壁面即使有噴水存在，溫度也超過60℃，人員皮膚直接接觸，仍然有被高溫灼傷危險，艦員應(yīng)避免缺乏保護情況下與壁面接觸。

4)封艙滅火后的返艙時間。由于火災燃燒期間熱量已在艙內(nèi)長時間積累，通風關(guān)閉又減緩了艙內(nèi)散熱，因此單靠隔艙冷卻，某主機艙在模擬時間

1 200 s內(nèi)也沒能降到60℃以下，此期間應(yīng)避免人員進入艙室。

4　結(jié)語

本文針對艦船艙室以及消防過程的特點，利用火災動力學場模擬方法，以某一主機艙所處的艙段為典型案例，進行了數(shù)值模擬方案設(shè)計，并對著火艙室以及相鄰艙室的艙內(nèi)煙氣溫度、艙壁溫度、CO氣體濃度、能見度等要素隨時間的變化進行計算，給出各種消防預案對消防過程的影響，并對計算結(jié)果進行分析，給出滅火時機、通風狀態(tài)、對艙壁噴水冷卻對火災控制的影響以及封艙滅火后返艙時間的計算結(jié)論。探索了基于數(shù)值模擬進行消防預案分析的技術(shù)途徑。

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作者簡介:張鳳香(1963－)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為艦船生命力技術(shù)。

收稿日期:2015－04－29

文章編號:1672－7649(2015) 07－0093－06doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.021

中圖分類號:X921; U698．4

文獻標識碼:A