付云鵬 李 艇

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

基于FDS的船舶貨物轉(zhuǎn)運(yùn)通道火災(zāi)模擬研究

付云鵬 李 艇

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

為明確船舶貨物轉(zhuǎn)運(yùn)通道內(nèi)火災(zāi)的蔓延特性，利用FDS（Fire Dynamicsimulator）火災(zāi)模擬軟件建立某船貨物轉(zhuǎn)運(yùn)通道數(shù)值仿真模型并進(jìn)行模擬仿真。根據(jù)仿真結(jié)果分析該通道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣的擴(kuò)散情況，研究該區(qū)域溫度及能見度的變化規(guī)律，獲得通道內(nèi)溫度及能見度超出人員承受范圍的時(shí)間。研究結(jié)果可為船舶發(fā)生火災(zāi)后人員疏散策略及消防預(yù)案的制定提供指導(dǎo)和理論依據(jù)。

船舶；轉(zhuǎn)運(yùn)通道；FDS軟件；火災(zāi)模擬

引 言

火災(zāi)與浸水、碰撞一起構(gòu)成威脅船舶安全的三個(gè)重大問題。據(jù)國(guó)際海難救助協(xié)會(huì)的一項(xiàng)調(diào)查表明，進(jìn)入20 世紀(jì) 80 年代，因火災(zāi)、爆炸所造成海難事故的比例逐年上升。在船舶設(shè)計(jì)過程中，火災(zāi)的防止與抑制已成為一項(xiàng)重要內(nèi)容。為了降低火災(zāi)造成的損失，船舶通常采取水消防系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)、艙室噴淋滅火系統(tǒng)，干粉滅火系統(tǒng)等多種滅火措施來(lái)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行抑制［1-2］；同時(shí)制定完整的消防預(yù)案及人員疏散策略來(lái)應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的火災(zāi)，保障乘客及船員的人身安全。本文以某船舶的貨物轉(zhuǎn)運(yùn)通道為研究對(duì)象，分析火災(zāi)后未采取滅火措施情況下該通道內(nèi)煙氣及溫度的變化規(guī)律，研究煙氣及溫度的擴(kuò)散機(jī)理，為消防預(yù)案及人員疏散策略的制定提供理論依據(jù)，并為下一步通道內(nèi)消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 FDS模擬技術(shù)

FDS是由美國(guó)NIST（National Institute of standards and Technology）開發(fā)的一款三維CFD軟件，可以計(jì)算燃燒所引起的流動(dòng)及傳熱問題。該軟件以大渦模擬為基礎(chǔ)，采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)的Navier-stokes（N-S）方程［3］。FDS能較好的模擬煙氣運(yùn)動(dòng)，計(jì)算火災(zāi)導(dǎo)致的熱煙傳播過程［4］。FDS所求解的基本控制方程如下［5］：

質(zhì)量守恒方程：

組分守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ為氣體密度；u為氣體速度；Yl為組分l的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Dl為組分l的傳質(zhì)系數(shù)；為組分l的質(zhì)量流量；p為氣體壓力；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；f為作用在流體上的外部力（除重力外）；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(dǎo)率；T為氣體溫度；hl為組分l的焓。

2 模型的建立

2.1 物理模型

為模擬船舶貨物轉(zhuǎn)運(yùn)通道火災(zāi)蔓延情況，參照某船貨物轉(zhuǎn)運(yùn)通道實(shí)際尺寸在FDS軟件中進(jìn)行建模（見圖1）。模型主體結(jié)構(gòu)和分隔構(gòu)件材料均為鋼鐵，在兩側(cè)通道左端均設(shè)有防火門，仿真過程中認(rèn)為兩個(gè)防火門為打開狀態(tài)。

2.2 邊界條件設(shè)置

模擬通道區(qū)設(shè)有進(jìn)風(fēng)口2個(gè)，尺寸均為0.7m×1.0m，對(duì)稱分布于通道中間區(qū)域側(cè)壁上，具體位置如圖1所示；排風(fēng)口數(shù)量為2個(gè)，尺寸均為0.7m×1.0m，分別位于通道中間部位頂棚下部，具體位置如圖1所示。根據(jù)相并規(guī)范要求，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，進(jìn)風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)均要并閉，因此在模擬過程中，進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的實(shí)際風(fēng)量均設(shè)置為0。

根據(jù)火源辨識(shí)分析，該區(qū)域可能發(fā)生火災(zāi)的最大火源功率為10mW，火源為油池火，設(shè)定于模擬通道區(qū)靠右側(cè)地面上（見圖1）?？紤]人員疏散及滅火時(shí)間限制，仿真時(shí)間定為600s。由于所模擬通道區(qū)域沿船長(zhǎng)方向跨度較大，因此在進(jìn)行煙氣層高度及溫度變化分析時(shí)，在沿船長(zhǎng)方向上，按照距離火源由近至遠(yuǎn)，將整個(gè)模擬區(qū)劃分為區(qū)域3、區(qū)域2及區(qū)域1三個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析（如圖2所示）。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 煙氣蔓延情況分析

仿真時(shí)間內(nèi)，通道區(qū)煙氣的蔓延情況以及煙氣層高度隨時(shí)間的變化曲線如圖3和圖4所示。

由圖3可見，當(dāng)100s時(shí)，隨著火焰的逐漸增大，煙氣開始向非著火側(cè)蔓延；當(dāng)200s時(shí)，火焰進(jìn)一步擴(kuò)大，煙氣生成量大且擴(kuò)散快，基本已經(jīng)布滿整個(gè)通道區(qū)；320s時(shí)，由于火源附近氧氣不足，火焰基本熄滅；直至600s時(shí)，仿真結(jié)束，煙氣彌漫在整個(gè)通道區(qū)。

由圖4可見，在沒有進(jìn)風(fēng)和排煙的情況下，通道區(qū)域內(nèi)煙氣下降速度很快，離火源由近到遠(yuǎn)的區(qū)域3、區(qū)域2和區(qū)域1中煙氣層高度下沉至臨界高度2m的時(shí)間分別約為70s、100s和140s。350s時(shí)，三個(gè)區(qū)域內(nèi)的煙氣層下降至最低位置，約距地面0.5m。

在有限空間內(nèi)，煙氣隨著火焰的擴(kuò)大而快速生成并累積，繼而迅速擴(kuò)散至整個(gè)空間。在火災(zāi)發(fā)生約320s時(shí)間點(diǎn)附近，起火點(diǎn)處火焰逐漸由于氧氣不足而熄滅，煙氣量在350s左右達(dá)到最大，不再有新的煙氣產(chǎn)生。此時(shí)，煙氣通過通道左端與外界連通的2個(gè)防火門慢慢排出。因此350s后，區(qū)域2和區(qū)域1的煙氣層高度逐漸上升，但因?yàn)榉阑痖T面積有限且煙氣流動(dòng)為自然對(duì)流，排出較慢，直至600s時(shí)仿真結(jié)束，各區(qū)域煙氣層高度仍位于2m以下。

3.2 溫度變化規(guī)律分析

仿真時(shí)間內(nèi)，通道區(qū)距地面2m截面上溫度分布如圖5所示。

由圖5可以看出，130s時(shí)，區(qū)域3和大部分區(qū)域2的溫度達(dá)到60℃，而區(qū)域1內(nèi)的溫度還相對(duì)較低；190s后，1、2、3區(qū)域2m高度截面上的溫度均達(dá)到了60℃。320s后直至600s時(shí)仿真結(jié)束，所有區(qū)域2m高度截面上的溫度基本均維持在為60℃以上。

火焰發(fā)生初期，火焰附近（即區(qū)域3）的溫度會(huì)受火焰的熱輻射而迅速升高，而此時(shí)區(qū)域2由于高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散，溫度升高也較快。區(qū)域1因?yàn)榫嚯x火源較遠(yuǎn)，且根據(jù)圖3，130s時(shí)該區(qū)域還未受到高溫?zé)煔獾拇蠓秶绊?，因此溫度相?duì)較低。190s后，隨著高溫?zé)煔鈴浡琳麄€(gè)通道區(qū)域，整個(gè)通道區(qū)在火焰熱輻射和高溫?zé)煔鈱?duì)流傳熱的影響下，溫度均上升至60℃以上。320s左右，火焰熄滅，但是因?yàn)橛邢蘅臻g內(nèi)氣體熱慣性較大，一直到600s時(shí)仿真結(jié)束，通道區(qū)溫度仍保持在60℃以上。此種狀態(tài)下，人員無(wú)法進(jìn)入通道區(qū)進(jìn)行滅火，同時(shí)區(qū)域內(nèi)其他可燃物品及周圍艙室內(nèi)的可燃物品可能被引燃，導(dǎo)致火災(zāi)影響進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.3 能見度變化規(guī)律分析

仿真時(shí)間內(nèi)，通道區(qū)距地面2m截面上能見度分布如下頁(yè)圖6所示。

由圖6可見，100s時(shí)，火源周圍區(qū)域3的能見度已達(dá)到臨界水平10m；140s時(shí)，區(qū)域2的能見度下降到10m；180s后直到仿真結(jié)束，整個(gè)通道區(qū)所有區(qū)域2m高度截面上的能見度均下降至10m。

根據(jù)以上分析，能見度的變化規(guī)律與煙氣的擴(kuò)散規(guī)律基本相同。當(dāng)70s時(shí)，區(qū)域3內(nèi)煙氣層高度下降至2m，該區(qū)域內(nèi)2m截面處的能見度最先降至10m以內(nèi)；100s至140s時(shí)，區(qū)域2和區(qū)域1內(nèi)的能見度也逐漸降低。180s后，隨著煙氣布滿整個(gè)通道區(qū)，通道區(qū)域內(nèi)2m截面處的能見度均降至10m以內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文對(duì)某船貨物轉(zhuǎn)運(yùn)通道區(qū)可能發(fā)生的典型火災(zāi)進(jìn)行無(wú)滅火措施干預(yù)狀態(tài)下模擬仿真。仿真結(jié)果表明：各個(gè)區(qū)域煙氣層高度在火災(zāi)發(fā)生后140s左右降至對(duì)人體產(chǎn)生影響的距離地面2m處；130s后，溫度將大面積達(dá)到60℃以上；而能見度在140s后大面積下降到10m。因此，該貨物轉(zhuǎn)運(yùn)通道區(qū)內(nèi)人員可用安全疏散時(shí)間約為130s，消防無(wú)并人員應(yīng)盡量在火災(zāi)發(fā)生后130s內(nèi)離開該區(qū)域，以保證其人身安全并避免妨礙消防滅火；消防人員進(jìn)入滅火的最佳時(shí)間也在130s內(nèi)，及時(shí)采取滅火措施，以防止火勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

本文所建立的模型和獲得的仿真結(jié)果可以作為火災(zāi)發(fā)生后人員疏散策略及消防預(yù)案制定的指導(dǎo)和理論依據(jù)，還可用于指導(dǎo)通道區(qū)內(nèi)消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而為進(jìn)一步研究消防系統(tǒng)作用下火災(zāi)的蔓延過程，通過仿真分析得到最優(yōu)的通道區(qū)消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)打下基礎(chǔ)。

［1］ 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司．船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（輪機(jī)分冊(cè)）［M］ ．3版．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013．

［2］ 趙楠，劉偉．艦船直升機(jī)飛行甲板干粉滅火系統(tǒng)的應(yīng)用及設(shè)計(jì)［J］ ．船舶，2016（1）：64-67．

［3］ KEVINmc Grattan，SIMO Hostikka．Fire Dynamics simulator Technical Reference Guide［M］．Version5．Maryland，America：NISTspecial Publication，2007．

［4］ 張博思，陸守香．機(jī)械通風(fēng)對(duì)船舶機(jī)艙火災(zāi)煙氣控制的影響分析［J］ ．船海工程，2013（4）：28-34．

［5］ 張鳳香，吳曉偉．艙室消防預(yù)案數(shù)值模擬設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］ ．艦船科學(xué)技術(shù)，2015（7）：93-98．

Fire simulation of ship transport passageway based on fire dynamic simulator

FU Yun-peng LI Ting
(Marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

To clarify the spread characteristics of the ship transport passageway, this paper carries out the numerical simulation of the ship transport passageway by using a fire simulation software Fire Dynamic simulator (FDS) and conducts the simulation experiment. By analyzing the smoke diffusion in the passage during fire according to the simulation results, the variation of the temperature and the visibility in the passage are studied to obtain the time when the temperature and visibility of the passage are beyond the tolerance of the personnel. The results can provide guidance and theoretical evidence for the people evacuation strategy and the fire protection plan after the fire occurred in the ship.

ship; transport passageway; fire dynamic simulator (FDS); fire simulation

U675.79

A

1001-9855（2017）05-0028-05

2017-02-22；

2017-04-13

付云鵬（1988-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)與研究。李 艇（1980-），男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶輪機(jī)工程。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.028