艦船機(jī)艙火災(zāi)煙氣自然充填特性模擬實(shí)驗(yàn)

吳曉偉，張博思，張鳳香，陸守香

(1.海軍裝備研究院，北京100161;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230027)

0 引 言

火災(zāi)是影響艦船安全性和生命力的重要威脅之一，它不但會(huì)對(duì)艦船自身造成巨大損害，也會(huì)造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡［1－2］。在艦船各類火災(zāi)中，機(jī)艙火災(zāi)具有發(fā)生頻繁、危害性大及撲救難度大等特點(diǎn)［3－4］。

火災(zāi)煙氣具有遮光性、毒性和高溫等特點(diǎn)。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙氣是影響艦員安全和艦船順利執(zhí)行任務(wù)的主要威脅之一?；馂?zāi)煙氣主要會(huì)對(duì)艦船內(nèi)人員和設(shè)備造成以下3個(gè)方面的傷害:首先煙氣的遮光性導(dǎo)致艦員在逃生過程中容易迷失方向，無法尋找到正確的出口，延滯了安全逃生的時(shí)間;其次，煙氣中含有較高濃度的一氧化碳等有毒氣體，當(dāng)吸入一定量后艦員會(huì)出現(xiàn)休克甚至死亡;再次，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔饪赡茉斐膳瀱T呼吸道和皮膚的灼傷，甚至導(dǎo)致艦船設(shè)備的失效。因而認(rèn)識(shí)機(jī)艙火災(zāi)煙氣特性對(duì)于提高艦船消防安全水平具有重要意義。

發(fā)達(dá)國(guó)家海軍較早地開展了艦船火災(zāi)煙氣研究。美國(guó)海軍研究生院進(jìn)行了一系列的艦船火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，并利用區(qū)域模擬程序研究了火災(zāi)煙氣在艙室內(nèi)的蔓延［5］。美國(guó)科學(xué)家曾利用鹽水實(shí)驗(yàn)?zāi)M了海軍艦船艙室火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，取得了較為滿意的結(jié)果［6］。我國(guó)相關(guān)學(xué)者對(duì)艦船艙室煙氣流動(dòng)也進(jìn)行了模擬研究［7－10］。但人們對(duì)封艙情況下機(jī)艙火災(zāi)煙氣的充填特性還缺乏直觀認(rèn)識(shí)。本文利用實(shí)驗(yàn)手段研究機(jī)艙模型中火災(zāi)煙氣在無通風(fēng)條件下的自然充填規(guī)律，以評(píng)價(jià)機(jī)艙火災(zāi)煙氣的環(huán)境危害特性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 模型機(jī)艙

實(shí)驗(yàn)采用的小尺度艦船模型機(jī)艙見圖1。模型機(jī)艙整體尺寸為3 000 mm(L)×3 000 mm(W)×750 mm(H)，機(jī)艙頂棚煙道空間尺寸為1 250 mm(L)×1 625 mm(W)×625 mm(H)。內(nèi)部柴油機(jī)布置見圖2。在本實(shí)驗(yàn)中，通風(fēng)口、排煙口以及通道口等對(duì)外開口均處于關(guān)閉狀態(tài)，以模擬機(jī)艙封艙情況下的火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)特性。

圖1 艦船機(jī)艙模型Fig.1 Model of ship engine room

1.2 測(cè)量系統(tǒng)

為研究火災(zāi)煙氣的自然充填過程，本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了艙室內(nèi)的氣體溫度、煙氣成分和通道處的煙氣能見度。系統(tǒng)中共布置3 束熱電偶，用于測(cè)量模擬機(jī)艙內(nèi)不同位置處的氣體溫度，每束熱電偶包括6 支10 cm 長(zhǎng)的K型熱電偶。3 束熱電偶分別布置在右舷艙壁中央、右舷角落和前端艙壁中央3個(gè)位置，從上到下依次命名為TC1～TC6，TC7～TC12和TC13～TC18，具體位置見圖2。各熱電偶樹中，位于最上方的熱電偶距離艙室頂板10 cm，最下方的熱電偶距離艙室地面15 cm，其他位于中間的熱電偶以10 cm的間距均勻布置。為監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中火焰狀態(tài)并獲得最終熄滅時(shí)間，在油盤正中央距離液面5 cm 高度處布置了1個(gè)熱電偶，標(biāo)號(hào)為TC19。采用煙氣分析儀測(cè)量羽流頂部的O2，CO和CO2等氣體濃度隨時(shí)間的變化過程，氣體濃度測(cè)量點(diǎn)見圖2。采用激光消減法的原理測(cè)量艙室內(nèi)通道處的煙氣能見度變化過程，光源為650 nm的紅色點(diǎn)激光源，布置在左舷艙壁上50 cm 高度處，距離后艙壁80 cm。測(cè)量系統(tǒng)的具體布置形式如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)布置圖Fig.2 Sketch of the experimental set-up

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

通常油池火和噴射火被認(rèn)為是機(jī)艙火災(zāi)的2 種典型火源。本研究采用油池火作為火源類型。作為機(jī)艙內(nèi)最為常見的可燃物，柴油具有較高的熱值，同時(shí)燃燒過程中煙氣產(chǎn)生量較大，對(duì)艙室內(nèi)的能見度、有毒氣體的濃度以及溫度均有嚴(yán)重的影響。因而選用型號(hào)為－10#的柴油作為本實(shí)驗(yàn)的火源。

本研究使用10 cm，20 cm和30 cm 三種直徑的油池火作為實(shí)驗(yàn)火源，油池內(nèi)初始燃料高度均為4 cm，在實(shí)驗(yàn)過程中不進(jìn)行燃料補(bǔ)充，因而燃料的液面隨著燃燒的進(jìn)行不斷下降，直至燃料耗盡或火焰由于艙內(nèi)氧氣濃度過低而出現(xiàn)自熄滅?；鹪捶胖糜跈C(jī)艙地板中央位置，如圖2所示。具體的實(shí)驗(yàn)條件及主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。為得到較為準(zhǔn)確和可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，每個(gè)油盤直徑的工況重復(fù)進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中所采用的數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值。

表1 實(shí)驗(yàn)工況及結(jié)果Tab.1 Experimental scenarios and results

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖3為10 cm，20 cm和30 cm 三種油盤直徑條件下，典型時(shí)刻柴油池火燃燒過程的錄像截圖。從圖中可以看出，隨著油盤直徑的增大，燃燒劇烈程度以及艙室內(nèi)煙氣濃度都隨之增大。對(duì)于直徑為10 cm柴油油池火的工況，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，火焰一直在中部2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)模型之間穩(wěn)定燃燒，艙內(nèi)煙氣濃度較低，從油盤被點(diǎn)燃至火焰熄滅的整個(gè)過程都能清楚看到火焰和機(jī)艙內(nèi)的柴油機(jī)模型;當(dāng)油盤直徑增大到20 cm 后，燃燒變得劇烈，在420 s 時(shí)火焰高度明顯已經(jīng)超過了相鄰的發(fā)動(dòng)機(jī)模型高度，同時(shí)火焰發(fā)生了“水平膨脹”，與發(fā)動(dòng)機(jī)模型產(chǎn)生了“碰撞”，同時(shí)模擬機(jī)艙內(nèi)的煙氣濃度迅速增大，能見度下降;當(dāng)油池直徑為30 cm 時(shí)，燃燒猛烈程度繼續(xù)增大，艙內(nèi)能見度快速下降，180 s 后的錄像已經(jīng)無法分辨發(fā)動(dòng)機(jī)模型位置，420 s 后已幾乎無法看清模擬艙內(nèi)的火焰。

在整個(gè)燃燒過程中，油盤直徑為10 cm的工況中煙氣濃度較低，火焰能夠被清晰的拍攝，因此該工況的燃燒時(shí)間可根據(jù)錄像獲得。而當(dāng)油池直徑為20 cm和30 cm 時(shí)，由于煙氣濃度較高，燃燒后期已經(jīng)無法拍攝到火焰的存在了，因而本研究中這2個(gè)工況的燃燒時(shí)間通過在火源上方設(shè)置熱電偶(TC19)來獲取。當(dāng)燃燒進(jìn)行時(shí)，TC19 測(cè)得的溫度為火焰溫度，在實(shí)驗(yàn)中通常高達(dá)500 ℃而當(dāng)火焰熄滅時(shí)候，TC19 測(cè)得的溫度為艙室內(nèi)的氣體溫度，因此TC19 測(cè)得的溫度出現(xiàn)突降的時(shí)刻即可認(rèn)為是火焰熄滅的時(shí)刻?；谝陨戏治龇椒?，得到油盤直徑為10 cm，20 cm和30 cm的工況，燃燒時(shí)間分別為:1 200 s，900 s和660 s。由此可以看出，在無通風(fēng)條件下，隨著油盤直徑的增大，燃燒時(shí)間縮短。

圖3 各種直徑下的火災(zāi)發(fā)展過程Fig.3 The fire growth for different pool fires

2.2 煙氣溫度

艙室內(nèi)氣體溫度的測(cè)量和分析對(duì)于研究無通風(fēng)條件下火災(zāi)煙氣在模擬機(jī)艙內(nèi)的沉降特性以及了解煙氣對(duì)船體結(jié)構(gòu)和人員的危害程度有著重要的作用。火災(zāi)發(fā)生后，煙氣在浮力的驅(qū)動(dòng)下迅速上升，到達(dá)頂棚后形成頂棚射流開始向四周蔓延，并在頂棚下方集聚而發(fā)生沉降，艙室內(nèi)不同高度處的熱電偶溫度測(cè)量結(jié)果可用于分析火災(zāi)煙氣在艙室內(nèi)的填充過程。油池直徑為10 cm的工況中右舷中央處熱電偶樹測(cè)得的氣相溫度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。由圖可以看出，艙室上部溫度相對(duì)較高，而下部區(qū)域溫升較為一致。圖5 顯示了3 種直徑的油池火工況中，不同位置處的最高溫度在豎直方向上的分布情況。

由圖4和圖5 可以看出，在本研究的實(shí)驗(yàn)條件下，艙室內(nèi)的溫升均處于較低水平。直徑為10 cm的油池火僅使艙室內(nèi)的溫度上升至33℃，隨著火源直徑的增長(zhǎng)，艙內(nèi)溫升相對(duì)增大，但火源直徑為20 cm和30 cm的油池火也僅使得火源艙溫度升高至56 ℃和83 ℃。較低的煙氣溫度對(duì)于人員逃生和設(shè)備的安全都是有利的，但對(duì)于以溫度作為閾值的火災(zāi)探測(cè)器及時(shí)動(dòng)作是不利的，容易導(dǎo)致火災(zāi)漏報(bào)現(xiàn)象的發(fā)生。

由圖5 可以發(fā)現(xiàn)，艙室內(nèi)不同位置處的熱電偶在火災(zāi)中的溫升情況有所不同。右舷中央和右舷前角處的氣體溫度相差不大，前艙壁中央的溫度較其他兩處要高，這主要是因?yàn)榍芭摫诰嚯x火源較近，同時(shí)前艙壁與火源之間無發(fā)動(dòng)機(jī)模型遮擋。這說明火災(zāi)艙室內(nèi)障礙物會(huì)阻礙火災(zāi)煙氣的流動(dòng)，從而造成被遮擋區(qū)域的溫度相對(duì)較低。

另外，圖5 顯示艙室內(nèi)在豎直方向上不存在明顯的溫度分層現(xiàn)象。溫度在豎直方向上分布的均一，表明煙氣分層現(xiàn)象在封閉條件下不如普通建筑空間火災(zāi)中那樣顯著。由于煙氣溫度和冷空氣之間的溫差較小，因而熱浮力不大，難以維持穩(wěn)定的煙氣層。煙氣下降速度很快，迅速填充了整個(gè)封閉的機(jī)艙區(qū)域，從而形成較為均一的艙內(nèi)環(huán)境。

圖4 10 cm 直徑油池火中右舷中央處的溫度分布Fig.4 Temperature profile at the center of starboard for 0.1 m fire tests

圖5 不同直徑油池火中艙內(nèi)的溫度分布Fig.5 Temperature profiles at various locations for different fire tests

2.3 氧氣濃度變化

火災(zāi)煙氣中氧氣濃度也是重要的火災(zāi)指標(biāo)之一，火災(zāi)過程中，起火艙室內(nèi)氧氣濃度的下降會(huì)導(dǎo)致人員窒息甚至死亡。本實(shí)驗(yàn)利用煙氣分析儀測(cè)量了模擬機(jī)艙頂部區(qū)域火災(zāi)煙氣中的O2，CO 及CO2濃度。隨著火災(zāi)的進(jìn)行，艙室內(nèi)的氧氣濃度逐步降低，CO和CO2濃度隨之升高，三者的變化趨勢(shì)一致，因此本研究中僅給出不同工況中艙室上部區(qū)域氧氣濃度隨時(shí)間的變化曲線，如圖6所示。由圖可以看出，火源直徑越大，煙氣中的O2含量下降的越快，同時(shí)氧氣濃度的最低值越小。0.1 m 直徑的油池火中，在燃燒后期，氧氣濃度降低到17%;當(dāng)油池直徑為0.2 m 時(shí)，O2、CO和CO2的濃度分布為13%、510 ppm和1.9%。當(dāng)油池直徑為0.3 m 時(shí)，這3 種氣體的濃度變?yōu)?%，1 090 ppm和3.9%。

圖6 不同直徑池火實(shí)驗(yàn)中氧氣濃度的變化過程Fig.6 Oxygen concentration histories for different fire tests

2.4 能見度

火災(zāi)煙氣的遮光性會(huì)導(dǎo)致火場(chǎng)內(nèi)能見度的降低，從而對(duì)船員逃生和救火行動(dòng)造成了影響。本實(shí)驗(yàn)采用激光消減法測(cè)量了模擬機(jī)艙內(nèi)左舷側(cè)距地面0.5 m 高度處能見度隨火災(zāi)發(fā)展的變化情況。圖7 顯示了不同火源條件下能見度的變化過程。由圖7 可以看出，在3 種油池尺寸的實(shí)驗(yàn)中，艙室內(nèi)能見度在點(diǎn)火后均出現(xiàn)了快速下降，這說明煙氣撞擊頂棚后，在艙室內(nèi)的填充速度較快。隨著燃燒的進(jìn)行，火災(zāi)煙氣濃度增大，艙室內(nèi)能見度進(jìn)一步降低。對(duì)于直徑10 cm的柴油池火，起火后300 s，艙內(nèi)能見度下降至5.7 m 左右，隨后維持在這個(gè)程度直至火焰熄滅;火源直徑為20 cm 時(shí)，艙內(nèi)能見度在起火后約210 s，下降至2.8 m;當(dāng)火源直徑為30 cm 時(shí)，艙內(nèi)能見度在起火后約160 s，下降至2 m。對(duì)于封閉艙室內(nèi)能見度沒有隨著燃燒的進(jìn)行而繼續(xù)降低的現(xiàn)象，可能是由于火源相對(duì)較小，煙氣層與下層空氣層之間的溫差不大，難以維持煙氣層穩(wěn)定在一定高度并進(jìn)行積累，從而使煙氣不斷下降而造成的。

圖7 不同火源大小模擬機(jī)艙內(nèi)的能見度Fig.7 Visibility histories at corridor for different fire tests

3 結(jié) 語(yǔ)

在模擬機(jī)艙中開展了無通風(fēng)條件下的柴油池火實(shí)驗(yàn)，研究火災(zāi)煙氣在封閉艙室內(nèi)的自然充填過程。在3 種尺寸的油池火實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量了艙室內(nèi)的溫度、煙氣濃度及能見度的變化過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

1)在無通風(fēng)情況下，艙室內(nèi)的溫度隨火源的越大而升高，但其值不高，對(duì)設(shè)備的危害小，可能影響感溫探測(cè)器火源的及時(shí)響應(yīng)。艙室內(nèi)溫度分布在豎直方向上較為均勻，表明煙氣豎直分層現(xiàn)象不明顯，然而在水平方向上由于有發(fā)動(dòng)機(jī)模型的遮擋和阻礙，導(dǎo)致艙室內(nèi)水平方向上溫度分布不均勻。

2)模擬機(jī)艙內(nèi)頂部區(qū)域煙氣中的氧氣濃度在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)明顯降低，且實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的最低氧氣濃度隨著油池直徑的增大而減小。當(dāng)火焰直徑為0.3 m 時(shí)，艙室內(nèi)頂部煙氣中的氧氣濃度下降至2%。

3)能見度最低值以及達(dá)到最小能見度的時(shí)間均隨火源直徑的增大而降低。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，無通風(fēng)情況下，模擬機(jī)艙內(nèi)的能見度下降速度很快，當(dāng)火源直徑為0.3 m 時(shí)，燃燒160 s 后的能見度即下降到約2 m，這會(huì)對(duì)人員逃生產(chǎn)生極為不利的影響。

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