船舶機艙火災安全性分析

孫世芳,秦光耀,劉 波

(浙江國際海運職業(yè)技術學院 船舶工程學院,浙江 舟山 316021)

機艙內的速度場是指艙內空氣流動的方向和速度大小。機艙是放置船舶動力及輔助機械和輪機人員進行管理的場所,機艙中的溫度、濕度、以及油氣等有害氣體的含量構成了機艙的環(huán)境條件,空氣中的粉塵、有害氣體及高溫高濕等都會損害人體的健康,所以機艙內速度場對機械設備的布置和人員的影響很大。

艙內的柴油機、輔助鍋爐等設備在正常工作期間向周圍環(huán)境放出一定的熱量;船用發(fā)電機組吸收機艙內的空氣,一些特殊部位的油氣蒸發(fā)會使艙內空氣含有可燃氣體和有害氣體。由于環(huán)境狀況的變化影響柴油機氣缸內的實際空氣量,機艙內的氣壓、溫度、濕度都會發(fā)生變化,進入氣缸的空氣量就會不同,從而影響柴油機的工況[1],由此可見,船舶機艙內的整體環(huán)境是非常復雜的。

對機艙內的速度場進行模擬分析,有助于提高機艙內的安全性和機械通風效果,改善機艙內空氣流動,避免在艙內形成通風死角。用良好的氣流組織向機艙內注入足夠的新鮮空氣以保證機艙內設備的正常工作,同時帶走機艙內多余的熱量建立并維持機艙內適宜的環(huán)境條件顯得相當重要[2]。本文運用FDS軟件,采用大渦模擬的方法對全回轉拖船機艙內的速度場進行數(shù)值模擬,分析速度場并對其作出相應的科學解釋,為機艙速度場分析和機艙設計提供參考。

1 模型的建立

1.1 機艙物理模型的建立

本文以某全回轉拖船作為模擬對象,研究其機艙內速度場分布。該拖船艙內的設備繁多,結構復雜且不規(guī)則,因此要想精確模擬真實的機艙環(huán)境以得出速度場分布,就目前計算機的計算能力和技術方面來講,要完整的計算無法實現(xiàn)[3]。因此要對機艙內的設備進行簡化,簡化后的機艙總體尺寸和艙內設備的布置見圖1。

1.2 計算邊界條件及火源的處理[4-5]

本文的邊界條件主要為艙室壁面的物理性質及通風口氣體的性質。根據(jù)圖1艙室的結構圖,設定設備相應的參數(shù)：機艙內兩臺柴油機。在甲板的上部的兩個通風口,機艙風機的面積分別為0.6×0.5m2,0.4×0.7m2,風速分別為4m/s,4.5m/s;主機附近的進氣口面積為0.4×0.7m2,風速為5m/s;在右側甲板上的艙門的面積為0.7×1.6m2,模擬的初始室溫為30℃。

圖1 船舶機艙在FDS中的結構圖(俯視圖)

選擇油池火作為一火源點,假設在一定的時間后,柴油經(jīng)油管泄露后在兩主機中間的甲板上形成一直徑為1m、厚0.02m的油池,考慮到計算的方便,將其轉化成1×1×0.02m3的立方體油池,其最大熱釋放速率為：

式中：Q為化學熱釋放速率;m″為每單位表面積的質量燃燒速率;m″∞為大型油池火災漸進質量燃燒率;k′為有效吸收系數(shù);Δ Hc為燃燒熱;xchem為燃燒效率;D為油池的直徑。因此由 (1)式可計算該油池的最大熱釋放速率為Q=5744kW。

2 火源情形下速度場分析

設定的火源在兩主機中間的地面上,同時對火源的熱釋放速率進行了簡化,并設為定值HRRPUA=800 kJ/(m2?s),在艙門開啟的情形下,測量速度、速度矢量及氧氣含量。

2.1 速度圖分析

從高度Z=0.3m、Z=3m和Z=5.5m三個平面的速度和速度矢量圖可以看出,7秒時機艙前部的所有區(qū)域的速度場都受到了影響,7秒后機艙后部開始受到影響,大約23秒時,整個機艙內部的速度場都受到影響并逐漸穩(wěn)定下來,接下來的幾十秒鐘時間里只有小范圍的波動。

圖2 速度分布圖

如圖2所示,在大約10秒左右,火源已經(jīng)完全影響到了機艙的前部,并開始影響機艙后部的空氣流動;速度場分布不均勻,局部 (通風口、火源上方)速度過大,其他區(qū)域很小;但高度Z=5.5m時,即靠近艙門高度的速度場很均勻,這是因為艙門的開啟保持了與外界的流通,無論是壓力、溫度和空氣流通;艙門成為了一個緩沖閥,可以保持艙門附近區(qū)域空氣狀態(tài)的相對穩(wěn)定。

從圖3中可以看出在起火后大約30秒時刻就已經(jīng)影響到全部機艙區(qū)域并趨于穩(wěn)定,而且3m高度比0.3m高度處速度場受影響更快,部分是因為空氣碰到機艙內頂蓬甲板時發(fā)生反彈,使空氣向平行方向發(fā)散,因此空氣的速度要比0.3m高度的空氣速度大,受影響更早。因此得出結論如下：

圖3 速度分布圖

(1)機艙內設備密集的地方空氣遇到障礙物反彈,速度就相對大一些,反之設備不多的地方空氣遇不到障礙物,速度一旦穩(wěn)定下來就比其他區(qū)域速度要小。

(2)還有重要的一點就是機艙內速度最大的幾個地方除了進氣口與排風口之外,艙門處和火源上方的速度最大：火源上方速度大是因為火焰燃燒消耗氧氣并產(chǎn)生煙塵,熱煙氣本身雖然不能燃燒,但它的溫度很高,密度較小,必然形成對流。附近壓力的劇烈變化也會導致空氣流動;艙門處的速度大是因為艙內燃燒使得艙內壓力大于艙外因而向外排放氣體,使得艙門處的速度在整個過程中都很大。

2.2 速度矢量圖分析

圖4 速度矢量圖

速度矢量的方向都是朝向艙門外面的,說明至少在前100秒時間內,艙門開啟時,是在向外部排氣的,同時帶走了巨大的熱量,并沒有出現(xiàn)進氣助燃的情況。所以在機艙火災發(fā)生100秒時間內 ,即使工作人員都撤離了,艙門也不需要馬上關閉。

2.3 氧氣含量圖分析

圖5是時間t=23秒時、高度Z=3m時氧氣含量切面圖,從圖上可以看出機艙前部的氧氣含量下降的很快,并且火焰的燃燒已經(jīng)開始消耗機艙后部的氧氣了。

圖6是t=80秒時的氧氣含量切面圖,此時機艙內的含氧量已經(jīng)很低了,機艙內人員必須盡快撤離,這同時反映機艙起火后,工作人員沒有充足的時間對起火火源進行控制,而且考慮到人員安全,必須盡快撤離。

圖5 氧氣含量圖

圖6 氧氣含量圖

圖7是機艙起火后100秒內艙內溫度分布的5次截圖。由圖7可得看出,雖然起火后100秒內機艙后部溫度受影響不大,但機艙前部溫度升高非常快,到60秒時已經(jīng)達到80度左右,艙室內的溫度已升高至人體所無法承受的溫度,因此根據(jù)溫度變化趨勢,可斷定在約80秒左右之前人員必須從艙室內撤離;同時也可以看到,至少在前100秒內,機艙的強制通風系統(tǒng)無法發(fā)揮良好的通風散熱作用,艙內溫度逐漸升高。但若能在容易發(fā)生起火的火源點上方的甲板上加上一個通風口,通風效果也許會好一些[6]。

圖7 溫度分布圖

3 結 語

本文運用FDS軟件較為真實地模擬了某全回轉拖船機艙在有火源且艙門開啟時機艙內各種場的分布情況,得到機艙內燃燒速度、氧氣含量、溫度速度矢量圖并對艙內所設探測點處的速度在100秒模擬時間內的變化進行做了總結,并給出相應的科學解釋,得出如下結論：

(1)模擬的結果向人們展示了經(jīng)驗層次上所無法觀察到的艙內速度場具體變化分布情況。

(2)在有火源的情形下,艙內速度場的分布直接影響到了艙內各處氧氣含量并決定了艙內溫度場的分布;有火源情形下的模擬結果得出100秒內關閉艙門不利于機艙火災的控制。

(3)模擬的這艘拖船的強制通風系統(tǒng)工作情況良好,可以用良好的氣流組織向機艙內注入足夠的新鮮空氣以保證機艙內設備的正常工作,保證工作人員的健康狀況和良好的工作狀態(tài)。模擬結果顯示在機艙甲板上增加一個排風口會使通風情況更好。

[1]赫偉健,王迎新,段樹林,等.船舶機艙空間溫度場速度場的數(shù)值模擬[J].大連海事大學學報,2005,31(1)：39-41.

[2]季軍,于希斌.船舶機艙火災成因分析及對策[J].世界海運,2005,28(4)：19-21.

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[4]胡靖,陸守香,黎昌海,等.船舶封閉艙室火災煙氣溫度特性研究[J].火災科學,2010,19(3)：109-115.

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[6]王亮,蘇石川,聶宇宏,等.船舶機艙火災中回燃現(xiàn)象的數(shù)值計算與分析[J].艦船科學技術,2009,31(6)：63-66.