頂部開(kāi)口艙室火災(zāi)特性的數(shù)值模擬研究

陳利源，劉燕紅，劉伯運(yùn)，易祥烈

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

當(dāng)前，船舶火災(zāi)的研究已經(jīng)成為了船舶損管研究的關(guān)鍵性問(wèn)題。作為燃料熱解和燃燒過(guò)程中的主要產(chǎn)物，煙氣是火災(zāi)事故中造成人員傷亡的主要元兇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，火災(zāi)中有70%以上的傷亡都是由于煙氣造成的，加之船舶材料的特殊性和空間的限制性，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)將迅速蔓延，艙室內(nèi)部的溫度和煙氣濃度都會(huì)迅速上升，在短時(shí)間內(nèi)便可對(duì)人員安全構(gòu)成威脅。船舶艙室通常是封閉的沒(méi)有側(cè)壁豎直開(kāi)口的，因此起火艙室可抽象為一個(gè)僅具有頂部水平開(kāi)口的特殊受限空間［1-2］。受限艙室的火災(zāi)具有多樣性，并且船舶結(jié)構(gòu)與普通建筑存在著根本上的差異，即使關(guān)于建筑火災(zāi)中煙氣和溫度特性的各方面研究目前已經(jīng)取得了一定的成果，但是對(duì)于船舶火災(zāi)及火災(zāi)煙氣的研究還處于初級(jí)階段，因此研究船舶頂部開(kāi)口艙室火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律和溫度特性對(duì)于火災(zāi)中人員的逃生和救援具有十分重要的意義。

對(duì)于船舶頂部有開(kāi)口的艙室火災(zāi)，國(guó)外學(xué)者早期進(jìn)行過(guò)大量的研究，成果豐碩［3-8］，而目前國(guó)內(nèi)關(guān)于船舶頂部開(kāi)口艙室火災(zāi)的研究開(kāi)展的較少，主要是中國(guó)科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了初步研究。陳兵等［9］主要研究了頂部不同開(kāi)口尺寸腔室中油池火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程，李強(qiáng)等［1］主要研究了船舶頂部開(kāi)口艙室火災(zāi)煙氣的遮光性對(duì)人員逃生的影響，這些都主要是通過(guò)在1m3左右的鐵箱子中實(shí)驗(yàn)分析所得出的結(jié)論，但是由于一般艙室實(shí)際要比這大得多，情況也復(fù)雜得多，而火災(zāi)的發(fā)展受眾多因素的影響，煙氣與溫度的變化又極其敏感，往往初始條件的微變就能對(duì)結(jié)果造成根本的改變，因此實(shí)際情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)論必存在差異。又由于實(shí)際艙室體積太大，實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)成本太高，因此本文的研究目的是應(yīng)用相關(guān)理論，建立仿真模型，對(duì)船舶頂部開(kāi)口艙室火災(zāi)的煙氣溫度特性進(jìn)行數(shù)值分析，得出煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律和頂棚熱煙氣蔓延過(guò)程，對(duì)實(shí)際艙室火災(zāi)情況提供理論參考。

1 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置及FDS 建模

本文主要運(yùn)用FDS 軟件建模仿真運(yùn)算［10］，仿真模型設(shè)定為4 m×3 m×2 m 大小的艙室，艙壁為厚度0.005 m 的鋼板，將整個(gè)模型劃分為40 ×30 ×20 的網(wǎng)格，則網(wǎng)格尺寸為10 cm;為了減少模型邊界對(duì)開(kāi)口處的影響，將艙室向頂部方向延伸1 m，并將其頂部設(shè)為開(kāi)式邊界。頂部開(kāi)口設(shè)定為1 m×1 m 大小緊貼墻壁且靠近另一側(cè)墻壁0.5 m 處;在艙室正中間放置大小為0.6 m×0.6 m×0.1 m 的油盆，假設(shè)油盆內(nèi)裝滿(mǎn)燃料，為了保證計(jì)算精度，在油盆周?chē)? m ×1 m ×2 m的空間內(nèi)再建立一個(gè)子網(wǎng)格，并將其劃分為20 ×20 ×40 的網(wǎng)格，則網(wǎng)格尺寸為5 c m。在油盆右下角設(shè)置一個(gè)0.05 m×0.05 m 大小熱釋放速率為500 kW/m2的點(diǎn)火源，為了不影響試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置其燃燒0.4 s 點(diǎn)燃油盆后自動(dòng)消失。在火源正上方0.5 m、1 m、1.5 m 高處設(shè)置溫度探測(cè)點(diǎn)，并在距火源1.5 m 高以火源為中心左右對(duì)稱(chēng)0.5 m、1 m 處設(shè)置探測(cè)點(diǎn)，探測(cè)煙氣溫度變化，模擬煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在火源四周對(duì)稱(chēng)位置設(shè)置層次分區(qū)，探測(cè)煙氣高度變化，得出煙氣沉降時(shí)間。同時(shí)在頂部開(kāi)口正中間下方0.5 m 即1.5 m 高處設(shè)置溫度探頭，探測(cè)煙氣溫度變化，對(duì)比得出人員逃生的有效時(shí)間。具體布置如圖1 所示。

由于船上火災(zāi)類(lèi)型多為油火(柴油火)，而庚烷的燃燒性質(zhì)與柴油最為接近，因此設(shè)定燃燒燃料為正庚烷，其相對(duì)分子量為Mg=100，密度ρ =684 kg/m3，比熱容Q =2.33 kJ/(kg·k)，沸點(diǎn)Tboil=98.5 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.14 W/(m·k)，燃燒熱hc=44.6 kJ/g，汽化熱hq=316 kJ/kg。

圖1 頂部開(kāi)口艙室的FDS 模型

燃料的燃燒并不是無(wú)止盡的，因此還要考慮火焰熄滅的情況。一般燃燒反應(yīng)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行有四方面的原因，分別對(duì)應(yīng)燃燒條件的四面體理論。四面體的4 個(gè)面代表了燃燒的4個(gè)基本條件，即可燃物、氧化劑、溫度和未受抑制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。一般滅火原理就是破壞燃燒四面體。此條件下則只需考慮可燃物和氧化劑。一方面由于油盆大小一定，內(nèi)裝燃料的量一定，當(dāng)燃料燃燒完時(shí)，燃燒反應(yīng)終止則火焰熄滅;另一方面，由于頂部開(kāi)口艙室火災(zāi)屬于特殊受限空間燃燒，開(kāi)口會(huì)影響室內(nèi)通風(fēng)，從而影響室內(nèi)的氧氣濃度。燃料燃燒需要消耗氧氣，而開(kāi)口的存在會(huì)向室內(nèi)流通空氣補(bǔ)充燃燒消耗的氧氣，實(shí)驗(yàn)證明氧氣補(bǔ)充的速率要小于氧氣消耗的速率，因此室內(nèi)氧氣濃度持續(xù)降低到一定值時(shí)火焰就會(huì)熄滅。一般碳?xì)浠衔镌谘鯕鉂舛鹊陀?5%時(shí)有焰燃燒不能進(jìn)行，低于8%時(shí)無(wú)焰燃燒不能進(jìn)行［11］，因此初始條件設(shè)置氧氣濃度低于15%時(shí)燃燒熄滅，環(huán)境溫度為20oC，相對(duì)濕度為80%，開(kāi)口處設(shè)為自然通風(fēng)。

2 火災(zāi)模型的理論分析

受限艙室火災(zāi)是一個(gè)復(fù)雜的燃燒過(guò)程，涉及到流體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)和燃燒學(xué)的相關(guān)理論?；鹧嫒紵?，熱誘導(dǎo)下的浮力作用會(huì)使流場(chǎng)表現(xiàn)出分層流動(dòng)的特征，強(qiáng)大的浮力能控制火災(zāi)中氣體的流動(dòng)。湍流和壓力作用會(huì)使周?chē)目諝饣旌?卷吸)到火羽流中，動(dòng)量和熱浮力產(chǎn)生的薄層頂棚射流會(huì)沖擊頂棚，一部分煙氣與熱量會(huì)隨著頂部開(kāi)口逸散出去，但仍有大量熱煙氣聚集在艙室內(nèi)，表現(xiàn)出不同的流動(dòng)特性與熱效應(yīng)［12］。

2.1 基本控制方程

在船舶頂部開(kāi)口艙室火災(zāi)過(guò)程中，由于特殊受限空間內(nèi)火焰燃燒具有特殊性和多樣性，火苗的變化和煙氣的流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，但仍然遵守守恒定律?，F(xiàn)假設(shè)氣體為理想氣體，取整個(gè)艙室作為控制體來(lái)分析火災(zāi)過(guò)程，熱煙氣與冷空氣通過(guò)水平開(kāi)口的質(zhì)量流量與密度差和壓力差有關(guān)，忽略火苗的擾動(dòng)影響［13］。

火災(zāi)條件下的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的基本方程如下:

連續(xù)方程

組分守恒方程

能量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

理想氣體狀態(tài)方程

2.2 燃燒模型

本研究采用大渦模擬的混合分?jǐn)?shù)燃燒模型。該模型中假設(shè)反應(yīng)無(wú)限快速，即反應(yīng)中燃料與氧氣一旦混合則立即發(fā)生燃燒［14］。

此時(shí)引入混合分?jǐn)?shù)Z 為

混合分?jǐn)?shù)Z 也滿(mǎn)足以下的守恒方程

可以得出O2的組分?jǐn)?shù)Y0與混合分?jǐn)?shù)Z 的關(guān)系

由式(7)、式(8)可以推出燃料的熱釋放率。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱釋放速率和質(zhì)量燃燒速率

對(duì)于室內(nèi)燃燒，影響熱釋放速率和質(zhì)量燃燒速率的有2點(diǎn)因素:一是頂棚熱煙氣對(duì)燃燒表面進(jìn)行的熱反饋;二是室內(nèi)氧氣濃度的降低限制了燃料燃燒。圖2 顯示了火焰燃燒時(shí)的熱釋放速率和質(zhì)量燃燒速率，從圖2 中可以看出，燃燒在10 s 時(shí)達(dá)到最大，最大HRR 為5 000 kW，最高質(zhì)量燃燒速率為0.22 kg/s。對(duì)于實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，這個(gè)燃燒速率和放熱量都是偏大的，因?yàn)楸疚牟捎玫氖荈DS 中的混合分?jǐn)?shù)燃燒模型，無(wú)限快速的燃燒反應(yīng)使得燃燒速率會(huì)比實(shí)際值大，室內(nèi)溫度偏高，熱煙氣層厚度增加，影響燃燒的熱釋放速率大小。

圖2 熱釋放速率和質(zhì)量燃燒速率

3.2 熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)的熱損失量

火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的整個(gè)過(guò)程始終伴隨著熱量的傳播。除了與火焰直接接觸外，熱傳播還有熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)3種方式。對(duì)于本文中的情況，主要是火焰對(duì)四周的輻射熱，熱煙氣與頂棚、艙壁的對(duì)流換熱，熱煙氣從頂部開(kāi)口流出艙室時(shí)帶走的熱量，對(duì)艙壁的熱傳導(dǎo)和艙壁對(duì)周?chē)h(huán)境的對(duì)流換熱。圖3 分別顯示了熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)的熱損失曲線(xiàn)，從圖3 中可以看出，熱量的損失是熱傳導(dǎo)＞熱輻射＞熱對(duì)流。即大部分熱量都被艙壁吸收，因此一旦艙室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，一定要注意艙壁的降溫。

圖3 熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)的熱損失量

3.3 熱電偶的溫度變化

火場(chǎng)中最直觀(guān)最有效的測(cè)量參數(shù)就是溫度。通過(guò)對(duì)溫度變化的分析，可以推測(cè)出火焰的發(fā)展情況以及煙氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。圖4 中顯示了各個(gè)熱電偶測(cè)量的溫度變化情況?？梢钥闯?，在油池正上方，當(dāng)火苗燃燒后，熱電偶自上往下逐漸升溫，上方熱電偶升溫速度比下方的快，溫度也較高;當(dāng)火焰熄滅后，上方熱電偶的降溫速度也比下方快，下降幅度更大。而在同一高度平面上即使是相互對(duì)稱(chēng)點(diǎn)的溫度變化也是不同的。根據(jù)圖4 中曲線(xiàn)可以看出，靠近開(kāi)口一側(cè)的溫度更高，變化更快。

而通過(guò)對(duì)開(kāi)口處溫度變化的測(cè)量，可以推算人員逃生和救援的最佳時(shí)間段，避免傷亡。從圖4 中可以看出開(kāi)口處溫度在火焰燃燒后會(huì)迅速上升，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到700℃的高溫，給人員的逃生和救援帶來(lái)極大的困難。因此人員逃生時(shí)必須盡可能地做好防護(hù)措施，減少高溫對(duì)人體的影響，救援人員也應(yīng)穿好防火服等服裝才能進(jìn)入艙室內(nèi)部。

3.4 煙氣運(yùn)動(dòng)情況

火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的煙氣往往是逃生和救援時(shí)的最大問(wèn)題。煙氣的運(yùn)動(dòng)方向通常又可以代表火勢(shì)的發(fā)展方向，因此對(duì)于火災(zāi)煙氣的研究是不可避免的。圖5 顯示了艙室內(nèi)煙氣高度變化情況。由圖可知，艦艇艙室發(fā)生火災(zāi)時(shí)，室內(nèi)氣體的溫度不均密度不均產(chǎn)生的浮力效應(yīng)會(huì)使熱煙氣豎直上升，當(dāng)其受到頂棚阻擋后，將形成水平流動(dòng)的頂棚射流。煙氣在頂部水平流動(dòng)時(shí)會(huì)通過(guò)頂部開(kāi)口逸散出一部分到外界與外界產(chǎn)生熱量交換和質(zhì)量交換;室內(nèi)的煙氣則與封閉艙室火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)情況相仿，由頂部慢慢向下沉降填充，直到充滿(mǎn)整個(gè)艙室。根據(jù)觀(guān)察開(kāi)口對(duì)煙氣的沉降也有影響，沒(méi)有開(kāi)口一側(cè)的煙氣明顯比有開(kāi)口一側(cè)的沉降速度快，更先到達(dá)地面。

圖4 熱電偶的溫度變化曲線(xiàn)

圖5 艙室內(nèi)煙氣層高度變化情況

3.5 頂部開(kāi)口處的熱量交換和質(zhì)量交換曲線(xiàn)

圖6中顯示了頂部開(kāi)口處的熱量交換和質(zhì)量交換曲線(xiàn)。根據(jù)觀(guān)察可以看出火苗燃燒時(shí)與熄滅后所表現(xiàn)出來(lái)的曲線(xiàn)完全不同。當(dāng)火苗燃燒時(shí)，熱量交換曲線(xiàn)波動(dòng)大，隨著火勢(shì)的增大熱交換值也增大，燃燒達(dá)到峰值時(shí)的熱交換量也達(dá)到最大，隨后會(huì)逐漸下降直到火焰熄滅時(shí)會(huì)降到最低;此時(shí)質(zhì)量交換量完全為正，說(shuō)明只有熱煙氣向外逸散，外界的冷空氣不會(huì)進(jìn)入艙室內(nèi)，且煙氣流出的量也與火勢(shì)的大小有關(guān)，火焰大時(shí)煙氣流出的量多，火焰小時(shí)煙氣流出的量少。當(dāng)火苗熄滅后，熱交換曲線(xiàn)波動(dòng)小但變化速度快，熱量逸散的量基本處于平衡，與時(shí)間的變化關(guān)系不大;而質(zhì)量交換曲線(xiàn)則在零點(diǎn)上下波動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)不僅是煙氣往外逸散，冷空氣也會(huì)向室內(nèi)流動(dòng)，兩者交換的量相差不大。

圖6 頂部開(kāi)口處的熱量交換和質(zhì)量交換曲線(xiàn)

3.6 氧氣的體積分?jǐn)?shù)變化

圖7顯示了火焰上方氧氣的體積分?jǐn)?shù)變化，由圖可以分析出火焰燃燒后氧氣濃度急劇下降，很快就降到8%以下，此時(shí)氧氣濃度不支持繼續(xù)燃燒，因此火焰“缺氧熄滅”。

火焰燃燒過(guò)程中，氧氣的濃度首先急劇下降，然后會(huì)上下波動(dòng)，這是由于艙室內(nèi)上層冷空氣在煙氣的作用下向下運(yùn)動(dòng)，可以對(duì)燃燒處的氧氣進(jìn)行補(bǔ)充，使燃燒反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，又根據(jù)圖7 可以知道火焰燃燒時(shí)只有煙氣向外逸散，外界冷空氣不能流入艙室內(nèi)，因此艙室內(nèi)氧氣消耗后不能補(bǔ)充，直到艙室內(nèi)氧氣消耗到一定程度不能供應(yīng)燃燒則燃燒反應(yīng)終止火焰熄滅。

圖7 氧氣的體積分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

1)通過(guò)FDS 軟件對(duì)頂部開(kāi)口艙室火災(zāi)進(jìn)行模擬分析，研究了艙室內(nèi)火災(zāi)溫度分布特性和煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在船舶頂部開(kāi)口艙室火災(zāi)中，溫度在同一水平面內(nèi)的大小不一樣，靠近頂部開(kāi)口一側(cè)的溫度明顯比沒(méi)有開(kāi)口一側(cè)的溫度高，這與封閉艙室火災(zāi)溫度分布情況不同，不能單純認(rèn)為同一平面內(nèi)氣體溫度一致。

2)在船舶頂部開(kāi)口艙室火災(zāi)中，煙氣首先向上運(yùn)動(dòng)直沖頂棚，受到阻擋后向四周散開(kāi)傳播，遇到開(kāi)口后一部分煙氣通過(guò)頂部開(kāi)口逸散到外界，剩下的則繼續(xù)堆積，并慢慢向下填充直到艙室整個(gè)內(nèi)部空間都充滿(mǎn)煙氣，此時(shí)開(kāi)口處的煙氣會(huì)一直向外擴(kuò)散。

3)在船舶頂部開(kāi)口艙室火災(zāi)中，當(dāng)火焰燃燒時(shí)會(huì)源源不斷的產(chǎn)生煙氣，室內(nèi)溫度升高，艙室內(nèi)產(chǎn)生正壓，只有煙氣向外逸散，外界的冷空氣無(wú)法沿著開(kāi)口進(jìn)入艙室內(nèi)，艙室內(nèi)氧氣得不到補(bǔ)充，濃度一直下降，直到降到一定值不能支持燃燒，火焰熄滅，此時(shí)火焰為“缺氧熄滅”。直到火焰熄滅后外界冷空氣才能與煙氣發(fā)生對(duì)流交換流入艙室，室內(nèi)氧氣濃度緩慢上升。但由于氧氣在空氣中所占的濃度本就不大，而且這種對(duì)流交換的速度也受到開(kāi)口大小的限制，因此火苗熄滅后氧氣的體積分?jǐn)?shù)上升的速度并不快，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能使氧氣的濃度恢復(fù)到15%以上。

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