陳 功，邱金水，劉伯運

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

船舶艙室火災(zāi)通道煙氣特性研究

陳 功，邱金水，劉伯運

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

有毒有害煙氣是船舶火災(zāi)發(fā)生后最大的危害，對其控制和管理顯得尤為重要，但目前相關(guān)的研究和應(yīng)用較少，特別是火災(zāi)發(fā)生后如何消除煙霧和有害氣體的研究更為缺乏。文章通過模擬艙室火災(zāi)試驗，研究通道煙氣的蔓延規(guī)律和溫度分布情況，獲得燃料的熱釋放速率曲線和質(zhì)量燃燒速率曲線。通過通道布置的探測點得到了艙室火災(zāi)通道煙氣運動規(guī)律及溫度分布情況，為船舶消防損管系統(tǒng)設(shè)計中排煙風(fēng)機(jī)的選用、布置、人員逃生和相關(guān)消防戰(zhàn)術(shù)的制定提供參考。

艙室火災(zāi)；通道；煙氣運動；溫度分布

近年來，船舶火災(zāi)事故頻繁發(fā)生帶來了非常重大的損失和慘痛的教訓(xùn)。船舶火災(zāi)的主要特點有：空間狹小結(jié)構(gòu)復(fù)雜，艙室種類多樣化且相對封閉甚至有的完全封閉；船體結(jié)構(gòu)材料的特殊性限制性；火勢蔓延迅速難以控制，艙室內(nèi)部的有害煙氣濃度和煙氣溫度都會瞬間上升，在很短時間內(nèi)就構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。

船舶火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣具有高溫性、腐蝕性、遮光性、毒性、恐怖性和環(huán)境污染性等特點[2]。相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果表明,由煙氣導(dǎo)致的死亡占火災(zāi)死亡總數(shù)的85%以上,其死亡原因是由于吸入了大量的煙塵及有毒氣體而導(dǎo)致昏迷致死。此外，高溫?zé)煔饬饕殉蔀橄狸犖檫M(jìn)行搶險救援的最大障礙之一。

歐美國家對船舶艙室火災(zāi)煙氣模型的試驗探究和開發(fā)起步比我國早，而目前國內(nèi)關(guān)于船舶通道火災(zāi)的研究開展的較少。由于火災(zāi)的發(fā)展受眾多因素的影響，煙氣與溫度的變化又極其敏感，往往初始條件的微變就能對結(jié)果造成根本的改變，因此實際情況與實驗結(jié)論必存在差異。本文結(jié)合已有的相關(guān)理論和模型，建立適合于通道的仿真模型，對船舶艙室火災(zāi)通道煙氣的溫度和流動蔓延特性進(jìn)行仿真分析，歸納總結(jié)出煙氣運動規(guī)律和熱煙氣溫度分布過程。

1 長直通道火災(zāi)場景的設(shè)置及模擬

1.1 FDS軟件介紹

FDS(Fire Dynamics Simulator)是一款火災(zāi)動力學(xué)場模擬軟件。該軟件是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院開發(fā)的，采用數(shù)值模擬計算方法來求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動N-S方程，重點計算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程，得出火災(zāi)場景中的火源燃燒的熱釋放速率、火源產(chǎn)生煙氣的蔓延運動特性等。對于處理火災(zāi)煙氣流場，大渦模擬的方法具有較好的精度，它不僅可以描繪出煙氣蔓延運動情況而且也能描繪出著火房間火災(zāi)蔓延過程，在很大程度上能夠滿足火災(zāi)煙氣研究的需要?？偠灾?，F(xiàn)DS的優(yōu)點不僅在于能用簡單的程序描述復(fù)雜的火場信息，而且操作簡單仿真結(jié)果可靠有效，主要用于研究火災(zāi)煙氣運動與溫度特性。

1.2 火災(zāi)場景設(shè)定

文章中的仿真模型艙室設(shè)定為長2.5 m、寬3.5 m、高2.5 m；通道設(shè)定為長15 m、寬1.5 m、高2.5 m。具體見圖1所示。

圖1 艙室-通道的FDS模型

在艙室和通道里的走廊中間處設(shè)置探測點(離地面1.65 m高)，用來探測煙氣和溫度的溫度變化，得出煙氣蔓延運動規(guī)律。通道探測點具體布置如圖2所示。

圖2 通道探測點的布置

場模擬采用FDS的大渦模擬的方法進(jìn)行，著火部位在艙室房間的正中間，采用油盆火作為火源，油盆設(shè)定為方形，邊長為0.7 m，為了試驗的精確和安全，設(shè)置火源區(qū)域邊長為0.5 m，油盆深度為0.4 m，使用5 mm鋼板焊接制作。由于船上火災(zāi)類型多為油火(柴油火)，所以選擇著火材料為柴油(用少量汽油點燃)，火源功率設(shè)定為0.1 MW。

2 火災(zāi)模型的理論分析

2.1 FDS所采用的基本方程

在分析過程中，采用的一些黏性流體流動的基本方程如下[3]。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

式中：▽為微分算子；g為重力加速度；為外部力矢量；τ為黏性力張量；P為壓力；w為渦度。

能量守恒方程：

▽·(k▽·T)+∑i▽·(hiρDi▽·Yi),

(3)

理想氣體狀態(tài)方程：

PM=ρRT，

(4)

式中：R為理想氣體常數(shù)；M為混合氣體的分子質(zhì)量。

其中，質(zhì)量守恒方程(1)通常表示為不同氣體組分Yi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)形式：

(5)

2.2 燃燒模型的分析

火災(zāi)模擬軟件FDS通常采用泊松方程，一般不考慮壓強(qiáng)對火災(zāi)煙氣流場的干擾和影響，但是對于大部分火災(zāi)場景的煙氣流動基本適用，其準(zhǔn)確性也得到了大量試驗的驗證，特別是對中小功率的火源尤其適用[4]。直接數(shù)值模擬和大渦模擬這2種數(shù)值模擬方法都是FDS用來計算燃燒模型的方法。直接數(shù)值模擬是借助于直接求解湍流控制方程，對流場、溫度場等進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬闡述，也可以直接用于可燃?xì)怏w與氧氣混合擴(kuò)散過程的計算，采用有限反應(yīng)率燃燒模型。但是這種方法的計算量比一般方法的計算量大很多，目前一般只用于穩(wěn)定的層流計算。大渦模擬采用分解式的計算方法，把復(fù)雜的運動分解為簡單易于計算的運動。本文通過某種濾波方法把火災(zāi)煙氣運動的瞬時湍流運動的合成運動分解成2個簡單的單一運動進(jìn)行計算，分別是大尺度運動和小尺度運動2部分，這種計算方法大大簡化了計算程序和工作量并降低了對計算機(jī)內(nèi)存的需要，大大提高了工作效率[5]。文章采用大渦模擬計算的混合分?jǐn)?shù)燃燒模型。此模型的優(yōu)點是我們可以假設(shè)燃燒反應(yīng)迅速，即當(dāng)反應(yīng)中燃料與氧氣以一定的比例混合時，反應(yīng)則立即發(fā)生。

在火源燃燒的過程中，燃料與氧氣充分接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成各種燃燒產(chǎn)物。

此時，我們可以引入混合分?jǐn)?shù)Z為：

(6)

由于我們假設(shè)模型發(fā)生反應(yīng)非常迅速，即燃料與氧氣以一定比例接觸后立即發(fā)生反應(yīng)，二者的反應(yīng)接觸面即可視為火焰面，則模型可以定義為：

(7)

由此定義可以得出，O2的組分?jǐn)?shù)Y0與混合分?jǐn)?shù)Z的關(guān)系：

(8)

利用FDS中的守恒方程與上述關(guān)系式，可以推出燃料的熱釋放率。在數(shù)值模擬計算過程中，熱釋放速率(HRR)可用氧氣的消耗率表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱釋放速率和質(zhì)量燃燒速率

燃料燃燒時的熱釋放(HRR)和質(zhì)量燃燒速率(BURN RATE)如圖3所示。

圖3 熱釋放速率和質(zhì)量燃燒速率

因為本文的火災(zāi)模擬實驗采用的是FDS中的混合分?jǐn)?shù)燃燒模型，在不考慮現(xiàn)實環(huán)境的影響和其它因素的干擾的條件下迅速的燃燒反應(yīng)使得燃燒速率會比實際實驗的測試值偏大，由于不考慮壁面情況的現(xiàn)實問題燃燒時熱煙氣層厚度增加和艙室內(nèi)溫度偏高，在一定程度上影響燃燒的熱釋放速率大小。

3.2 通道不同時刻的溫度分布和煙氣運動情況

圖4顯示了通道縱向位置不同時刻的溫度分布和煙氣運動情況。可以看出，火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)煙氣經(jīng)過火源艙室的房門迅速進(jìn)入走廊，由于通道內(nèi)氣體的溫度不均勻，導(dǎo)致產(chǎn)生的向上的浮力帶動熱煙氣一起向上運動。因此，在通道形成受限空間的頂棚射流。在此過程中會形成火羽流，火羽流的形成機(jī)理：火源燃料燃燒，此燃燒過程是一個不斷放熱和產(chǎn)生煙氣的過程，在向周圍放熱的過程中，周圍和上方的空氣與煙氣混合流不斷的吸收熱量導(dǎo)致周圍煙氣溫度升高壓強(qiáng)減小，壓強(qiáng)減小導(dǎo)致高溫的煙氣向上運動，并且不斷的與周圍空氣進(jìn)行熱交換并卷吸周圍溫度較低的新鮮空氣，從而形成火羽流。從圖4可以得出頂棚上方的煙氣溫度是最高的，這與分析的結(jié)果幾乎一致。由于煙氣的運動是流體運動，流體運動在一個方向受阻后將會沿著與此方向垂直的平面做向四周擴(kuò)散的徑向運動。因此煙氣在遇到頂棚的阻礙后進(jìn)而向四周徑向擴(kuò)散蔓延流動，當(dāng)向四周徑向擴(kuò)散運動遇到兩側(cè)的通道艙壁后煙氣的流動遇到阻礙，因此煙氣只能沿著通道方向做縱向運動，在煙氣蔓延運動的過程中，由于不斷的與外界發(fā)生熱量交換和質(zhì)量交換導(dǎo)致煙氣層從離火源近處到遠(yuǎn)處，煙氣的溫度呈一定的梯度逐漸下降。煙氣在運動的過程中通過通道的開口一部分流出通道，一部分因通道開口上部的阻礙而回流；通道內(nèi)的煙氣則與封閉艙室火災(zāi)煙氣運動情況相仿，由上面慢慢向下沉降填充，直到充滿整個艙室。通道的開口對煙氣的沉降也有影響，離通道開口越遠(yuǎn)一側(cè)的煙氣明顯沉降的速度更快，更先到達(dá)地面。當(dāng)通道的煙氣流經(jīng)過前面的羽流上升卷吸、徑向擴(kuò)散與壁面的碰撞等以后，煙氣進(jìn)入一維縱向蔓延階段時，通道煙氣流的溫度己經(jīng)逐漸降低，一般不超過100 ℃。

圖4 不同時刻溫度分布

4 結(jié)束語

文章采用FDS軟件對艙室火災(zāi)通道煙氣特性的仿真模擬分析，研究了通道內(nèi)火災(zāi)煙氣的溫度分布特性和煙氣蔓延運動規(guī)律，得出以下結(jié)論。

1)煙氣在豎直方向呈現(xiàn)明顯的分層流動。在艙室火災(zāi)中，通道內(nèi)煙氣的溫度在同一豎直面內(nèi)不同，由上到下溫度逐漸降低，頂部最高；在同一水平面內(nèi)溫度也不一樣，越靠近火源一側(cè)，溫度越高。

2)在艙室火災(zāi)中，通道中的煙氣首先向上運動形成頂棚射流，向上運動受到阻擋后沿徑向向四周散開傳播，遇到側(cè)壁的阻礙后，沿通道水平縱向運動。在通道末端開口的上沿運動受阻沿側(cè)壁下流和回流。遇到通道開口后一部分煙氣通過開口逸散到外界，剩下的則繼續(xù)堆積，并慢慢回流向下填充直到整個通道空間都充滿煙氣，此時開口處的煙氣會一直向外擴(kuò)散。

3)通過此次仿真研究的模擬，得出了煙氣的溫度特性分布和流動規(guī)律，這為以后人員的逃生提供了理論指導(dǎo)。當(dāng)遇到通道火災(zāi)時，人應(yīng)該盡量保持低身前行或匍匐前行，以免吸入煙氣或被煙氣燒傷導(dǎo)致生命危險。

[1] 陳利源，劉燕紅，劉伯運，等.頂部開口艙室火災(zāi)特性的數(shù)值模擬研究[J].四川兵工學(xué)報，2015(4)：139-143.

[2]劉軍軍，李風(fēng)，張智強(qiáng)，等.火災(zāi)煙氣毒性評價和預(yù)測技術(shù)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2006,16(1)：76-82.

[3] 陳兵，陸守香，李強(qiáng),等.頂部不同開口尺寸腔室中油池火災(zāi)的發(fā)展過程[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2011(10)：895-901.

[4] 李強(qiáng).船舶頂部開口艙座火災(zāi)煙氣特性實驗研究[D].合肥:中國科技大學(xué)，2013.

[5] 蔣玲，劉筱路，王瑛琪.火災(zāi)計算機(jī)模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀淺析[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2009(3)：156-159.

Study on smoke flow and temperature parameters of shipboard fire has significant influence on personnel escape and rescue.Based on the numerical simulation of diesel pool fire in compartment and passageway,characteristics of smoke flow and temperature pattern are studied in this paper.Furthermore,the curve of heat release rate and mass loss rate are respectively drawn.The conclusions will provide theoretical basis for the selection and arrangement on fan(s)， personnel escape and decision on fire fighting tactics.

cabin fire;passageway;smoke movement;temperature distribution

陳功(1990-)，男，湖北黃岡人，在讀碩士研究生，研究方向為艦艇安全技術(shù)。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.04.007

2016-01-15