排煙條件下艙室煙氣溢流的數(shù)值模擬研究

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(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

火災(zāi)給船舶安全造成巨大威脅，煙氣是火災(zāi)的一個(gè)重要致災(zāi)因素。一方面，煙氣是火災(zāi)中人員傷亡的主要原因[1-2]；另一方面，高溫?zé)煔庠诖皟?nèi)的擴(kuò)散還可能會(huì)造成火災(zāi)的進(jìn)一步蔓延，并給艦艇內(nèi)的武器彈藥造成威脅。艙室的豎向開口是內(nèi)部火災(zāi)燃燒的氧氣供應(yīng)通道，對(duì)火災(zāi)的發(fā)展和煙氣成分有重要影響，同時(shí)，它還是煙氣從著火艙室溢出的主要途徑。如果火災(zāi)控制不當(dāng)，會(huì)造成大量煙氣從著火艙室溢出，從而使船舶其他區(qū)域的人員和設(shè)備安全受到威脅。為了保護(hù)整個(gè)船舶的安全，在船舶內(nèi)部火災(zāi)載荷較大，危險(xiǎn)性較高的艙室，可以安裝排煙系統(tǒng)，來(lái)抑制火災(zāi)時(shí)開口處的煙氣溢流。

鑒于豎向開口處煙氣流動(dòng)的重要性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者很早就對(duì)此開展了大量細(xì)致的理論和實(shí)驗(yàn)研究[3-8]。但需要指出的是，這些研究主要針對(duì)單一豎向開口的氣體流動(dòng)，并未考慮排煙系統(tǒng)的影響。而排煙作用會(huì)使開口處煙氣的中性面和輸運(yùn)規(guī)律發(fā)生一些改變。有研究表明，排煙能夠減少開口溢流，在排煙量足夠大時(shí)，甚至能夠完全抑止溢流，從而將火災(zāi)煙氣有效地控制在房間內(nèi)部[9]。

本文對(duì)排煙艙室豎向開口煙氣流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)關(guān)注豎向開口煙氣溢流發(fā)生的臨界條件，為后續(xù)船舶艙室的排煙系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)和損害管制提供理論依據(jù)。

1 豎向開口流動(dòng)理論基礎(chǔ)

艙室豎向開口存在中性面時(shí)的煙氣流動(dòng)示意于圖1。

圖1 艙室豎向開口煙氣流動(dòng)示意

豎向開口流動(dòng)是一種密度差引起的開口處流動(dòng)，可?；癁闊o(wú)粘性的伯努利流動(dòng)[10]。

艙室內(nèi)外壓差可表示為

Δp=ρ∞gz-ρsgz

(1)

根據(jù)伯努利方程，進(jìn)入艙室內(nèi)氣體質(zhì)量微元可表示為

(2)

式中：ρ∞——環(huán)境空氣密度；

ρs——煙氣密度；

Hw——開口的寬度；

C——開口處的流通因子，一般取0.6～0.8[11]。

煙氣層分界面的位置與模型中溫度的簡(jiǎn)化密切相關(guān)，需根據(jù)其與開口的位置關(guān)系分別處理。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 物理模型設(shè)置

模擬軟件采用FDS 5.5.3。數(shù)值模擬計(jì)算模型所模擬艙室的尺寸為長(zhǎng)×寬×高=6 m×4 m×3 m，艙壁厚度設(shè)置為0.1 m。在模擬艙室頂部設(shè)置有一個(gè)排煙口，右側(cè)墻上設(shè)置有一個(gè)0.4 m × 0.8 m的豎向開口，離地面高度為2 m，見圖2。

圖2 數(shù)值模擬物理模型

模擬艙室內(nèi)設(shè)置有兩串熱電偶。每串29個(gè)探點(diǎn)，從高度0.1 m～2.9 m，等距布置。為了研究開口處的煙氣流動(dòng)狀況，在開口中間以0.1 m間距設(shè)置有一串溫度探點(diǎn)和一串矢量速度探點(diǎn)。另外在排煙口和豎向開口處還分別設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)面，用來(lái)監(jiān)測(cè)這兩處的質(zhì)量流量和體積流率。為保證計(jì)算精度，選取尺寸為0.05 m × 0.05 m × 0.05 m的網(wǎng)格方案。

2.2 模擬工況設(shè)計(jì)

為了研究不同排煙量下艙室開口處的煙氣流動(dòng)狀況，共設(shè)計(jì)了10種模擬工況。前8種模擬工況中火源功率固定為0.5 MW，排煙口排煙量變化范圍為0.16～1.6 m3/s，后兩組工況中，排煙量固定為0.64 m3/s，而火源功率分別為0.4 MW和0.6 MW。詳見表1。

表1 數(shù)值模擬工況表

2.3 計(jì)算結(jié)果分析與討論

圖3a)為工況1～8穩(wěn)定段開口處不同位置的水平平均速度分布。其中，速度為矢量，定義流出艙室的方向?yàn)樨?fù)。可以看出，開口處的速度基本隨著高度的增加呈線性增大趨勢(shì)。這種現(xiàn)象也正說(shuō)明了在排煙條件下，豎向開口處煙氣流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力仍是溫度差引起的壓差。工況1～4中，開口頂部的煙氣速度小于0，說(shuō)明此時(shí)開口處有煙氣溢流。因此，這4組工況下的排煙量不足以抑止煙氣溢流。工況5中，開口處風(fēng)速均大于0，說(shuō)明開口無(wú)溢流產(chǎn)生。但此時(shí)開口最高點(diǎn)的風(fēng)速只是略大于0，說(shuō)明該工況下的排煙量剛剛達(dá)到抑止溢流的臨界條件。其后，隨著排煙量的繼續(xù)增大，開口處均為氣體流入，無(wú)溢流產(chǎn)生，且氣體流入速度持續(xù)增大。從這8組工況的風(fēng)速比較可以看出：排煙量存在臨界值，只有當(dāng)排煙量大于某一臨界值，才能抑止煙氣溢流的產(chǎn)生。而在本文的火源功率及開口條件下，臨界排煙量與工況5中的排煙量接近。

圖3b)為工況5和工況9、10中穩(wěn)定段開口處不同位置的水平平均速度分布?？梢钥闯?，排煙量固定為0.64 m3/s在火源功率為0.6 MW時(shí)，開口處存在中性面;當(dāng)火源減小到0.5 MW時(shí)，中性面已上移到開口上沿以上，所以開口處全為空氣補(bǔ)入?；鹪垂β蕼p小到0.4 MW，開口處仍全為氣體流入，且流入速率相比0.5 MW工況下有一定增大。

表2是不同排煙量下開口處的中性面高度、質(zhì)量流量和體積流率統(tǒng)計(jì)。表中“/”代表該工況下開口處流動(dòng)狀況全部為氣體流入，不存在傳統(tǒng)意義上的中性面，只存在一個(gè)在開口上沿以上的虛擬中性面。從表中工況1～8對(duì)比可以看出，從工況5開始，開口處不存在中性面，即這些工況下開口處無(wú)煙氣流出。工況1中，排煙量最小，中性面高度最低，但仍高于開口總高度的一半。而已有研究表明，在無(wú)排煙時(shí)中性面高度均在開口高度的一半以下?？梢娕艧煑l件的豎向開口的中性面位置發(fā)生了顯著變化。從工況1～5的對(duì)比可以看出，隨著排煙量的增加，開口處中性面位置不斷抬升，當(dāng)?shù)脚艧熈繛?.64 m3/s時(shí)，中性面高度已高出開口上沿。此時(shí)，傳統(tǒng)意義上的中性面消失，艙室開口的氣體流動(dòng)全部為氣體流入。從這五組工況的對(duì)比還可以看出：氣體流入質(zhì)量流量隨著排煙量的增加而增加，流出質(zhì)量流量則隨著排煙量的增加很快就降為0。工況6～8的排煙量相比工況5更大，氣體流出質(zhì)量流量均為0，開口處均為新鮮空氣補(bǔ)入。在達(dá)到溢流抑止臨界條件后，隨著排煙量的增加，開口處流入氣體的質(zhì)量流率也顯著增加。此時(shí)，流入氣體質(zhì)量流率的增加主要是由排煙量的增加引起的。

圖3 不同工況下開口處速度分布

表2 開口處煙氣流動(dòng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)束語(yǔ)

在排煙條件下，中性面高度是決定溢流抑止的重要條件，當(dāng)理論中性面高度大于或等于開口上沿時(shí)，可認(rèn)為達(dá)到溢流抑止?fàn)顟B(tài)。中性面高度與排煙量和火源功率密切相關(guān)，隨著排煙量的增大，中性面高度不斷上移，從而煙氣溢流量持續(xù)減??；隨著火源功率的增大，中性面高度則下移，溢流量增大。

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