潛艇艙室內(nèi)的火災模擬及消防決策研究

陳曉洪 張光輝 劉 輝

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢 430033

潛艇艙室內(nèi)的火災模擬及消防決策研究

陳曉洪 張光輝 劉 輝

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢 430033

目前研究火災的模型由于不能很好地反映煙氣的流動特性和溫度場的分布，以及存在對非規(guī)則空間的局限性。采用GAMBIT對潛艇艙室非規(guī)則空間進行網(wǎng)格劃分，運用N－S時均方程和雙k-ε湍流模型對流場進行理論計算，結(jié)合燃燒化學反應為單步不可逆快速反應假設，對艙室內(nèi)的火災發(fā)展過程進行模擬。通過臨界火災發(fā)展和蔓延的臨界時間制定消防決策。文章為潛艇的消防決策研究提供了一種實時可靠的研究方法。

火災模擬；湍流模型；N－S時均方程

1 引言

潛艇艙室是非規(guī)則結(jié)構(gòu)艙室，艙室密閉性非常好，一旦艙室發(fā)生火災會對艙室內(nèi)的艇員、設備以及整個艇體結(jié)構(gòu)造成很大的損傷?？焖儆行У南罌Q策是艇員正確使用消防設備、系統(tǒng)以及自救的重要保障。消防決策的基礎是正確理解和掌握潛艇艙室內(nèi)的火災危險性。全尺度火災試驗研究是最直接的火災研究方法，但是全尺度火災試驗需要的費用高，而且實際火災情況千差萬別，并不是所有的測量數(shù)據(jù)都能用于消防決策研究［1］。本文利用計算機對模擬非規(guī)則潛艇艙室內(nèi)的火災危害性，通過模擬結(jié)果指導潛艇艇員進行消防決策。

目前，用于研究火災的模型主要有區(qū)域模型和場模型。區(qū)域模型主要用于規(guī)則長方體空間的模擬，且假設同一區(qū)域內(nèi)火災煙氣的各個物理量都相等，不能較好的反映煙氣的流動特性和溫度場分布情況。場模型研究方法是指將所研究空間分成大量的網(wǎng)格，在每個網(wǎng)格上求解質(zhì)量、動量和能量方程，其中最有效的軟件是FDS，但是它對于非規(guī)則空間存在很大局限性，對于非規(guī)則體，F(xiàn)DS構(gòu)造能力較差，采用亞網(wǎng)格大渦模擬時會產(chǎn)生加大的計算偏差［2］。

本文采用三維的數(shù)學模型對潛艇艙室內(nèi)的火災進行模擬研究，火源采用表面蒸發(fā)速率表示，煙氣濃度用流場中的空氣組分濃度表示；通過計算得到不同時刻不同位置上的溫度和氣體濃度分布，根據(jù)潛艇火災發(fā)展和蔓延臨界時間計算，制定消防決策。

2 火災危險性模擬數(shù)學理論模型

2.1 計算理論模型

流體流動受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律、組分守恒定律。同時氣體流動受到浮升力的支配，湍動促進質(zhì)量、動量、能量和組分擴散，因此還要遵守湍流輸運方程。采用Reynolds時均方程模擬［3］，得到各個方程的綜合表達式。

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量守恒方程：

組分守恒方程：

狀態(tài)方程：

式（1）～ 式（5）中， ρ為密度； t為時間；xi為 i方向空間坐標；＜μi＞為i方向的時均速度；p為壓力；μ為黏性系數(shù)；為i方向時均體積力；cp為比熱容；＜T＞為時均溫度；λ為導熱系數(shù)；＜Y＞組分時均質(zhì)量分數(shù)；D為擴散系數(shù)；R為通用氣體常數(shù)；Φ′為Φ對應的脈動量（Φ表示u，T，Y）。

以上的Reynolds時均方程組并不封閉，其中表征湍流脈動引起的質(zhì)量、動量和能量輸運二階關(guān)聯(lián)項＜ui′uj′＞、＜ui′T′＞和＜ui′Y′＞都是未知的，分別稱為Reynolds應力，Reynolds熱流和Reynolds物質(zhì)流。根據(jù)Boussinesq公式Reynolds應力、熱流和物質(zhì)流分別表達為：

2.2 燃燒模型

燃燒簡化為單步不可逆的簡單化學反應過程。采用層流擴散理論和快速反應假定，把化學反應區(qū)視為極薄的火焰面［4，5］，混合分數(shù) f的定義為：

式中，f滿足守恒方程，濾波后的方程為：

通過求解混合分數(shù)和混合分數(shù)均方值，將化學反應減少為2個守恒量，所有熱化學標量（組分質(zhì)量分率、密度和溫度）均與之有關(guān)。給定化學反應性質(zhì)和化學反應，系統(tǒng)其它的特定限制及流場中任一點的瞬時守恒分數(shù)值可被用于計算每個組分分數(shù)、密度和溫度值。

考慮到火場的主要輻射成分是輻射連續(xù)的固體顆粒，近似地將火焰和煙氣作為灰體處理，忽略顆粒的散射作用，黑度取值0.96，空氣吸收系數(shù)取值 0.26／m；周圍為非絕熱條件。

3 潛艇某艙室結(jié)構(gòu)描述

以潛艇機艙為例，其艙室的主要機械設備是2臺柴油機。柴油機高4.5m，底部寬2m，頂部寬2.5 m，長 6 m；艙室是直徑 8 m，長 10 m 的圓柱體，分為上下兩層，層高4 m，上下兩層間是內(nèi)甲板平臺。在艇首尾各有2個至柴油機底部的通道口，通道為1m×1m的正方形，設處于常開狀態(tài)，艙室與艙室間是0.6 m×1 m的方形水密門，設處于常閉狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 潛艇某艙室平面

4 網(wǎng)格劃分和條件設置

4.1 網(wǎng)格劃分

鑒于艙室平面高度對稱，同時艙室體積大，為了減少網(wǎng)格劃分數(shù)量，取艙室體積的1／4進行計算，相應的分割面都設置成為對稱面。模擬中采用GAMBIT將艙室內(nèi)各個面上的邊按照0.1 m間隔劃分一個網(wǎng)格［6］，所有面都按照四面形劃分。劃分完成后采用TGRID類型對艙室體進行網(wǎng)格劃分，共得到224 596個控制體，如圖2所示，最小體積為 6.29e-8m3，最大體積為 2.47e-3m3。

4.2 初始條件和邊界條件

初始條件：艙室內(nèi)的氣體為理想空氣，艙室結(jié)構(gòu)為鋼，空氣和鋼板的初始溫度為105Pa，艙室內(nèi)的初始溫度為300 K，考慮浮升力的影響，重力加速度為9.8m／s2；火源為艙室底部2臺柴油機間中心位置處面積為1×2m2的液體燃油，燃油的平均垂向蒸發(fā)速率為2×10-6m／s，即平均質(zhì)量蒸發(fā)率為 0.031 2 kg／s，約 1.3MW。

邊界條件：所有的壁面都是采用無滑移邊界，即固體壁面上的速度分量均為0；所有壁面的厚度均為 0.02 m， 對流換熱系數(shù)為 60W／m2·K，速度入口處湍流強度為10%，動力學直徑為0.01 m。燃油蒸發(fā)速度入口處的混合質(zhì)量分數(shù)f為0.2，時均混合分數(shù)f′2為0。

5 模擬結(jié)果

穩(wěn)態(tài)燃燒50 s后，潛艇艙室內(nèi)的溫度如圖3所示。穩(wěn)態(tài)燃燒50 s后潛艇艙室內(nèi)的CO2摩爾分數(shù)分布如圖4所示。模擬結(jié)果如下：

1）在本文的火災場景下，艙室穩(wěn)態(tài)燃燒50 s后甲板上層的平均溫度為65℃；甲板下層溫度分成2層，其中上層的平均溫度為150～250℃，下層的平均溫度為70℃；火焰高度約為1.5m，火焰的平均溫度為1 000℃。

2）上層甲板溫度迅速升高的主要原因是煙氣通過甲板4個通道和柴油機后的縫隙迅速蔓延造成；煙氣在蔓延的過程中緊貼艙壁卷吸，快速充滿上層頂部空間，然后向下沉降，在上層空間內(nèi)中間沉降速度最快。

3）50 s后上層空間煙氣分層界面在距離頂部約3 m處，此時煙氣的摩爾分數(shù)為0.8%；下層煙氣也出現(xiàn)分層現(xiàn)象，但是較上層空間明顯，分層界面出現(xiàn)在距離底部甲板約1m處，此時煙氣的摩爾分數(shù)為0.64%。

6 消防決策及建議

6.1 消防決策

消防決策的主要目的是控制火災和滅火，解決潛艇艙室內(nèi)出現(xiàn)火災后的各種實際問題。消防決策的主要對象是人的行為動作，這些動作包括：啟動滅火設施、轉(zhuǎn)運危險物品、以及人員逃生和封閉艙室等。但是所有這些消防決策必須建立在理論和試驗的基礎上。通過消防決策研究可以針對性的指導艇員進行消防訓練，提高消防技能。

火災發(fā)展和蔓延是隨時間變化的過程量，因此，制定消防決策和實施控火或滅火也必須隨時間不斷地變化。

6.2 火災發(fā)展和蔓延過程臨界時間計算

火災發(fā)展和蔓延過程臨界時間是消防決策重點轉(zhuǎn)變的參考時間，消防決策重點指某個時間段內(nèi)集中主要力量所進行的消防工作，臨界時間主要包括火災發(fā)展臨界時間、火災蔓延臨界時間、人員逃生和封艙臨界時間。

火災發(fā)展臨界時間主要是指火災由小火轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定燃燒狀態(tài)的火災。其計算依據(jù)是根據(jù)不同的火災種類的熱成長速率。根據(jù)火場經(jīng)驗和大量的實驗室測試結(jié)果分析，人們通常對一定空間內(nèi)的火災發(fā)展過程用具體的數(shù)學計算公式來描述。針對火災中可燃物的熱釋放速率，大部分是采用“時間—平方火災”來設計計算［7-8］。

式中，Q為火災穩(wěn)態(tài)燃燒的熱釋放速率；α為火焰成長系數(shù)，α =0.002 9（慢速），α =0.011 7（普通），α =0.046 9（快速），α =0.187 6（極快）。

以本文潛艇機艙油火為例，α=0.187 6，Q=1.3 MJ，則火災發(fā)展臨界時間 t=83 s。

火災蔓延臨界時間主要指艙室環(huán)境發(fā)展到不利于艇員進行控火或滅火的時間，其主要依據(jù)是煙氣層的高度和艙室內(nèi)的平均溫度。根據(jù)人員的生理極限條件確定，當艙室平均溫度達到60℃，煙氣內(nèi)CO2濃度達到0.8%時艇員活動受限。火災蔓延臨界時間主要通過計算機模擬得到，以本文為例t=30 s。

人員逃生和封艙臨界時間指煙氣高度降到水密門高度，人員的撤離將會嚴重影響到相鄰艙室的生存環(huán)境或火災發(fā)展到完全無法控制的地步。其主要依據(jù)上層煙氣層的高度和火災周圍易燃易爆物品遭受的熱輻射量，本文艙室主要以上層煙氣層的高度為封艙臨界時間的計算依據(jù)，根據(jù)模擬結(jié)果得t=50 s。

7 建議

根據(jù)本文潛艇機艙的模擬結(jié)果得到如下消防決策［9］：

1）火災發(fā)生后0～80 s之間，艙室艇員主要采用便攜式消防設備進行艙室滅火；

2）如果艇員無法滅火，30 s內(nèi)撤離底部艙室同時關(guān)閉底部艙室內(nèi)的各種通艙件的閥門和切斷各種電器設備的電源；

3）20～30 s內(nèi)完成上層艙室內(nèi)的封艙動作，并撤離艙室，啟動全艇性消防系統(tǒng)進行滅火；

4）鄰艙艇員除保障起火艙室內(nèi)艇員的消防管制外，還需要對艙壁進行冷卻降溫。

采用本文的模擬方法能夠精確的計算出潛艇非規(guī)則艙室內(nèi)各個時刻各位置的溫度和氣體的濃度分布，結(jié)合艙室人員的生理承受能力和損管器材的配置，可以合理安排潛艇艙室內(nèi)的艇員損管動作和最長作用時間，提出保障生命安全前提下的最佳消防決策和損管途徑。

［1］ 李炎峰，鄒高萬，孫萍，等.非規(guī)則大空間內(nèi)煙氣填充的研究［J］.暖通空調(diào)，2005，35（1）：65～68.

［2］McGRATTAN K B，BAUM H R，REHM R G， et al.Fire Dynamics Simulator （Version 3） -Tec h nical Reference Guide［R］.USDepartment of Donald L.Evans， Secretary，National Institute of Standards and Technology，2002.

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Fire Simulation and Firefighting Decision-M aking for Submarine Cabins

Chen Xiao－h(huán)ong Z hang Guang－h(huán)ui Liu Hui
College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China

At present， themodel of studying fire cannot reflect the flow feature of smoke and gas aswell as the distribution of temperature field very well.Also，it has limitation for the irregular space.The GA MBIT was used to generate the meshes for the irregular shapes of submarine cabin，and the N－Stime－mean equation and k－ε turbulent flow model were used to compute the flow filed.Under the assumption that the combustion chemical reaction is irreversible，fire developing process in the cabin was simulated.Through the critical fire development and the critical fire spreading time， firefighting decisions can bemade.Therefore， a real－time and reliable research method is established to provide strategies in submarine fire fighting.

firemodel； turbulent flow model； N－Stime－mean equation

U664

A

1673－3185（2010）01－34－05

2009-03-30

陳曉洪（1963－），男，副教授。研究方向：艦船生命力技術(shù)。E-mail：liuhui503@126.com

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