基于FDS的微重力條件下密閉艙細(xì)水霧滅火過程仿真分析

李文新，孫 鵬，楊慎林

（1.中國航天員中心，北京 100094；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026）

基于FDS的微重力條件下密閉艙細(xì)水霧滅火過程仿真分析

李文新1，孫 鵬1，楊慎林2

（1.中國航天員中心，北京 100094；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026）

文章應(yīng)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件（FDS）對(duì)微重力條件下載人航天器密閉艙細(xì)水霧滅火過程進(jìn)行仿真分析，得到了電纜火災(zāi)撲滅過程中艙內(nèi)溫度和 CO的分布規(guī)律。結(jié)果表明，一定傾斜角度噴射細(xì)水霧不但會(huì)促進(jìn)煙霧的擴(kuò)散，還會(huì)為燃燒增加新鮮空氣，使撲滅過程趨于困難。分析認(rèn)為，微重力環(huán)境中的細(xì)水霧滅火器噴霧粒徑應(yīng)控制在100～150 μm，且使用時(shí)應(yīng)使噴霧方向與火災(zāi)面盡量趨于垂直。

火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件；載人航天器；滅火；微重力；細(xì)水霧

0 引言

電氣火災(zāi)作為在載人航天器、深潛器等密閉艙室內(nèi)的典型火災(zāi)形式已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。而航天器在軌飛行時(shí)的失重條件又使該火災(zāi)的特點(diǎn)和地面有所不同，因此，研究微重力條件下電氣火災(zāi)的特性和撲滅過程對(duì)于航天器在軌安全運(yùn)行具有重要意義。

目前，對(duì)于電氣火災(zāi)主要采用二氧化碳、氮?dú)?、哈龍等進(jìn)行滅火，其中：哈龍對(duì)環(huán)控系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的腐蝕，且殘留物質(zhì)不易清除[1]；而另外 2種氣體則會(huì)對(duì)艙內(nèi)氧濃度造成沖擊且不易去除。楊立軍和鄒高萬等在對(duì)比分析了幾種不同類型滅火方式后，認(rèn)為細(xì)水霧滅火在載人航天領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[2-4]，而NASA為研究細(xì)水霧滅火機(jī)理曾于“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī) STS-107任務(wù)中進(jìn)行了細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的搭載試驗(yàn)[5]。趙建賀等已經(jīng)對(duì)載人航天器密封艙內(nèi)的細(xì)水霧滅火過程進(jìn)行過數(shù)值研究[6-7]。本文在前人研究基礎(chǔ)上，立足工程應(yīng)用中細(xì)水霧滅火器研制及未來可能的使用工況進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

1 仿真建模

1.1 FDS軟件及算法

本文采用 FDS5.5.3軟件對(duì)細(xì)水霧滅火過程進(jìn)行建模和數(shù)值仿真分析。這個(gè)版本的FDS程序?qū)θ紵裏後尫潘俾?、輻射熱傳?dǎo)的計(jì)算更加精確，降低了模型對(duì)網(wǎng)格的依賴性。同時(shí)在網(wǎng)格劃分、墻體的熱傳導(dǎo)、燃燒模型、初始條件設(shè)置等方面都更加完善。燃燒模型使用一種能夠計(jì)算自然耗氧量并解析常數(shù)標(biāo)量方程的綜合方法對(duì)可燃物中任一部位氣態(tài)物質(zhì)的狀態(tài)比例進(jìn)行計(jì)算和分析?；馂?zāi)增長和燃燒三維蔓延的細(xì)節(jié)研究不是FDS模型軟件所能夠解決的，也不在本文研究范圍之內(nèi)。

1.2 模型介紹

在10 m×3 m×3 m的方形密封艙中建立仿真模型，設(shè)燃燒空間為L型，火災(zāi)發(fā)生位置位于xy平面。初始環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃。圖1中的粉紅色截面可以顯示CO體積分?jǐn)?shù)以及溫度切面圖。在x=5 m、y= 1.5 m垂直截面上，詳細(xì)測量煙氣的能見度、CO體積分?jǐn)?shù)和溫度場參數(shù)。在火源正上方高度從0.1 m到0.5 m，每隔0.1 m設(shè)置1個(gè)熱電偶，檢測火源上方的燃燒溫度。在火源正上方高度為1 m的位置設(shè)置1個(gè)細(xì)水霧噴頭，假設(shè)噴水量為4 L/min，霧化角為90°，熱容為4.184 kJ/(kg·K)，噴頭在仿真開始即噴水。模型網(wǎng)格大小為0.05 m×0.05 m×0.05 m。

圖1 FDS 仿真模型Fig.1 The simulation model of FDS

1.3 火災(zāi)場景設(shè)計(jì)以及細(xì)水霧模型

火源模擬電纜火的燃燒，實(shí)際上是銅芯外面絕緣材料的燃燒。FDS軟件采用網(wǎng)格化劃分結(jié)構(gòu)，因此本仿真將電纜火模型簡化為長1 m、寬0.2 m的平面火。假設(shè)燃燒速率增長為火災(zāi)中較常見的t2增長類型，最大燃燒速率為500 kW/m2。細(xì)水霧噴頭采用垂直噴射方式。

2 不同粒徑過程分析

霧滴氣化后形成原體積1680倍的水蒸氣，最大限度地排斥火場的空氣，使燃燒因?yàn)槿毖踔舷⒍艿揭种苹蛑袛?。雖然微重力環(huán)境下霧滴穿透火焰的能力減弱，但由于霧場范圍擴(kuò)大，反而可以有效地隔絕與稀釋火焰周圍的氧氣，更大面積地對(duì)火源進(jìn)行冷卻[8]。本文為獲得不同粒徑水霧的滅火效能，選取了2種典型細(xì)水霧滅火器的液滴粒徑（DV0.99）參數(shù)：DV0.99≤150 μm和DV0.99≤400 μm，并對(duì)它們進(jìn)行滅火過程分析，仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 煙粒子以及細(xì)水霧粒子分布情況（DV0.99≤150 μm）Fig.2 The distributions of smoke particles and fine water mist particles

圖3 煙粒子以及細(xì)水霧粒子分布情況（DV0.99≤400 μm）Fig.3 The distributions of smoke particles and fine water mist particles

通過參考文獻(xiàn)[5]中的數(shù)值仿真結(jié)果可以看出，微重力條件下的火源燃燒情況與常規(guī)重力條件下不一樣。常規(guī)重力條件下，火源揮發(fā)出的可燃蒸氣與周圍空氣發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)釋放出熱量，燃燒產(chǎn)生的熱羽流由于浮力的影響會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，碰到頂部后再向四周擴(kuò)散并下沉，形成頂棚射流。在火羽流運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)不斷地卷吸周圍新鮮空氣，并將煙霧粒子向周圍擴(kuò)散蔓延[9-10]。而在微重力條件下，由于沒有浮力差，不會(huì)形成火羽流，并且由于缺少對(duì)流，燃燒需要的新鮮氧氣需要通過分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)補(bǔ)充，煙霧也通過分子擴(kuò)散向四周蔓延。這樣火焰就會(huì)形成球形，煙霧籠罩在火焰周圍，緩慢地向四周擴(kuò)散。但是細(xì)水霧噴射的細(xì)水滴由于不受重力作用，會(huì)以直線的形式向前運(yùn)動(dòng)，碰到器物后即附著在其表面，少量會(huì)反彈[8]。此時(shí)，煙霧可能會(huì)由于細(xì)水霧的碰撞沖擊作用在艙室內(nèi)加速蔓延。

仿真過程中通過在火源上方設(shè)置的 5個(gè)熱電偶監(jiān)測火源附近溫度，監(jiān)測結(jié)果見圖4。

圖4 電纜火源正上方熱電偶溫度Fig.4 The temperature of thermocouple on top of the fire source

從圖4中可以看出，細(xì)水霧粒徑對(duì)于火焰上方燃燒溫度的影響主要有3方面：

1）在微重力環(huán)境下，煙霧的擴(kuò)散由分子擴(kuò)散占主導(dǎo)作用。因此，不同位置的熱電偶溫度隨與火源的距離不同而依次達(dá)到最高值后下降。DV0.99≤150 μm的細(xì)水霧明顯降低了火源上方的熱電偶溫度，并且對(duì)于較高位置的降溫效果更加明顯，從2號(hào)熱電偶以上位置處的溫度普遍低于50 ℃。這說明對(duì)于微重力環(huán)境下的燃燒，細(xì)水霧能夠明顯降低煙霧的溫度。

2）通過比較各個(gè)熱電偶的溫度在燃燒穩(wěn)定時(shí)期的均值可以得到，細(xì)水霧液滴粒徑越小，在燃燒穩(wěn)定時(shí)期的煙霧溫度越低。

3）在燃燒穩(wěn)定時(shí)期，通過觀察煙霧溫度曲線的波動(dòng)值，可以得到，隨著細(xì)水霧粒徑的增大，煙霧溫度的波動(dòng)幅度隨之增大。這是由于較大顆粒的細(xì)水霧液滴對(duì)于煙霧的擾動(dòng)作用更大。較小的煙霧擾動(dòng)是有利于煙霧的控制的，尤其是在微重力這種極端環(huán)境下，平穩(wěn)的火災(zāi)煙霧更利于滅火。因此，較小的細(xì)水霧液滴更加有利于撲滅火災(zāi)。

根據(jù)以上仿真結(jié)果，在進(jìn)行有害氣體CO的分布研究時(shí)，選取DV0.99≤150 μm的水霧與無水霧情況進(jìn)行對(duì)比，在密封艙x=5 m處設(shè)置監(jiān)測截面。圖5顯示了噴霧60 s時(shí)CO的分布云圖。

圖5 60 s時(shí)，x=5 m截面CO濃度分布云圖Fig.5 At 60s, the concentration distribution of CO on the cross section ofx=5 m

圖5中黑色線為CO體積分?jǐn)?shù)為5×10-4的等值線。在無細(xì)水霧影響時(shí)，該等值線主要圍繞在煙霧外邊緣，將煙霧及火源圍繞成半橢圓形；有細(xì)水霧時(shí)，受細(xì)水霧的影響，CO在艙內(nèi)較為分散，該等值線圍繞的范圍非常小，集中在火源附近。

通過上述仿真分析可見，細(xì)水霧明顯抑制了燃燒，粒徑較小的細(xì)水霧有助于降低煙霧的溫度以及CO體積分?jǐn)?shù)，提高對(duì)火災(zāi)的抑制和撲滅效果。

3 細(xì)水霧斜角噴射的仿真分析

航天器在軌運(yùn)行過程中，受電纜和設(shè)備等空間條件限制，且在微重力環(huán)境下滅火時(shí)，航天員很難保證將細(xì)水霧對(duì)火源垂直噴射，因此有必要對(duì)細(xì)水霧噴射角度對(duì)滅火效果的影響進(jìn)行分析。設(shè)細(xì)水霧粒徑DV0.99≤150 μm。圖6是細(xì)水霧噴頭噴射方向與燃燒平面夾角分別為 45°和 90°時(shí)熱電偶的溫度變化情況。

圖6 細(xì)水霧噴頭噴射方向與燃燒平面不同夾角情況下火源正上方溫度Fig.6 The temperature on top of the fire source for different spray angles

由圖6可見，細(xì)水霧噴射方向與燃燒面垂直時(shí)，火源上方的溫度降低十分明顯；而細(xì)水霧噴射方向與燃燒面夾角為45°時(shí)，第2、3、4、5號(hào)熱電偶處的溫度受到明顯抑制，而1號(hào)熱電偶處的溫度反而比沒有細(xì)水霧時(shí)溫度有所升高。這是由于細(xì)水霧在降溫的同時(shí)，會(huì)擾亂電纜火周圍的空氣，為燃燒增加新鮮空氣，促進(jìn)燃燒。并且，在微重力條件下，細(xì)水霧液滴還會(huì)促進(jìn)煙霧向外擴(kuò)散。因此，為了抑制燃燒，降低煙霧溫度，細(xì)水霧噴頭方向與燃燒面夾角越接近垂直越有利。

4 結(jié)論

1）在現(xiàn)有加工和工藝水平條件下，細(xì)水霧粒徑越小，則噴霧液滴對(duì)于煙霧的擾動(dòng)作用越小。而較小的煙霧擾動(dòng)在微重力條件下更有利于煙霧的控制，平穩(wěn)的火災(zāi)煙霧更利于滅火。因此，較小的細(xì)水霧液滴更加有利于撲滅火災(zāi)。

2）細(xì)水霧噴霧以斜角噴射，會(huì)擾亂火源周圍的空氣，不但會(huì)促進(jìn)煙霧的擴(kuò)散，還會(huì)為燃燒增加新鮮空氣，使撲滅過程趨于困難。滅火時(shí)應(yīng)使細(xì)水霧噴頭與燃燒面夾角盡量趨近垂直。

3）微重力條件下使用細(xì)水霧滅火可減少產(chǎn)生的煙霧和CO，并且細(xì)水霧液滴還有助于煙霧快速擴(kuò)散到煙霧和CO氣體感測傳感器，以及時(shí)報(bào)警。

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（編輯：馮露漪）

Simulation of fire fighting in airtight cabin under microgravity conditions based on the FDS

LI Wenxin1, SUN Peng1, YANG Shenlin2
(1.Astronaut Center of China, Beijing 100094, China; 2.University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In this paper, simulation of the water mist is carried out by the fire dynamics software (FDS) to study the fire extinguishing process in the airtight cabin of a manned spacecraft under microgravity conditions.It is found that the water mist at a certain angle would not only promote the proliferation of the smoke, but also make the fire fighting operation difficult, because the fresh air would promote the combustion process.The temperature and the concentration of the carbon monoxide in the process of putting out the cable fire are obtained.Analysis shows that the particle size of the water mist in the gravity environment should be controlled between 100 and 150μm, and the spray direction should be perpendicular to the plane where the fire happens.

FDS; manned spacecrafts; fire extinguishment; micro-gravity; water mist

TU892; TP391.9

：A

：1673-1379(2016)05-0505-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.008

李文新（1986—），男，碩士學(xué)位，主要從事航天器環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)研制工作。E-mail: 364178946@qq.com。

2016-03-23；

：2016-09-20

國家青年科研試驗(yàn)基金項(xiàng)目（編號(hào)：2014SY54C0901）