密閉空間在不同熱環(huán)境下的火災(zāi)煙氣填充特性及壁面熱傳導(dǎo)效應(yīng)

黃玉彪,楊立中,鄭源,黃丹妍

(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，合肥 230026)

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密閉空間在不同熱環(huán)境下的火災(zāi)煙氣填充特性及壁面熱傳導(dǎo)效應(yīng)

黃玉彪,楊立中,鄭源,黃丹妍

(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，合肥 230026)

采用火災(zāi)數(shù)值模擬軟件FDS，模擬船舶內(nèi)部艙室空間處于不同熱環(huán)境下的火災(zāi)煙氣填充特性，發(fā)現(xiàn)恒溫環(huán)境和低差溫環(huán)境對(duì)火災(zāi)煙氣的填充過(guò)程幾乎沒有影響，但是當(dāng)密閉空間豎向差溫達(dá)到一定范圍時(shí)，對(duì)其填充過(guò)程影響巨大；同時(shí)通過(guò)密閉空間壁面的熱傳導(dǎo)效應(yīng)的分析，不同熱環(huán)境對(duì)密閉空間金屬壁面的影響區(qū)域及程度均有所不同。

密閉空間；熱環(huán)境；煙氣填充；熱傳導(dǎo)；FDS

船舶火災(zāi)是船舶安全的主要威脅之一，一旦發(fā)生火災(zāi)，造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡乃至社會(huì)影響不可估量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，船舶火災(zāi)約占船舶海難事故的11%，但是船舶火災(zāi)造成的損失卻是排在所有海難事故的首位[1]。由此可見，船舶火災(zāi)對(duì)于船舶安全具有致命的影響。

船舶艙室是屬于受限空間的一種，其與常規(guī)建筑存在一定的區(qū)別：首先兩者的壁面結(jié)構(gòu)不同，建筑多采用混凝土壁面，而船舶則多采用鋼結(jié)構(gòu)為艙室邊界，其導(dǎo)熱性遠(yuǎn)超混凝土壁面；建筑一般設(shè)置有自然通風(fēng)裝置(門窗等)，但是艙室一般不存在此類結(jié)構(gòu)，所以船舶艙室火災(zāi)與不同建筑火災(zāi)存在一定的區(qū)別。

已有的船舶受限空間火災(zāi)研究集中在密閉空間的自熄滅模型[2]。針對(duì)頂部豎向開口艙室的煙氣溢流行為進(jìn)行相關(guān)研究，明確分析排煙量與中性面高度以及煙氣溢流質(zhì)量之間的關(guān)系[3]。則針對(duì)扁平型大艙室的火災(zāi)煙氣遷移蔓延特性及防控策略進(jìn)行研究，分析艙室外界環(huán)境(外界風(fēng))對(duì)于典型艙室內(nèi)部的火災(zāi)熱流場(chǎng)特性的影響[4]。實(shí)驗(yàn)研究頂棚射流煙氣溫度與時(shí)間和頂棚高度的關(guān)系[5]。無(wú)通風(fēng)密閉空間的火焰燃燒現(xiàn)象[6]。無(wú)通風(fēng)的客艙的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律[7]。

不同的熱環(huán)境對(duì)于由熱浮力驅(qū)動(dòng)的煙氣的流動(dòng)具有重要的影響，所以各艙室火災(zāi)也會(huì)有所區(qū)別。因此，針對(duì)典型長(zhǎng)高型密閉空間在不同熱環(huán)境下的火災(zāi)煙氣填充特性以及金屬壁面熱傳導(dǎo)效應(yīng)進(jìn)行研究。

1 數(shù)值建模

1.1 數(shù)值模擬軟件FDS

采用NIST設(shè)計(jì)的被廣泛用于相關(guān)火災(zāi)模擬的軟件FDS。FDS是基于大渦模擬的一種軟件，主要通過(guò)數(shù)值方法求解Navier-Stokes 方程，適用于計(jì)算低速、熱驅(qū)動(dòng)的流體流動(dòng)以及計(jì)算火災(zāi)導(dǎo)致的煙氣流動(dòng)和傳熱過(guò)程。FDS對(duì)于火災(zāi)煙氣模擬的準(zhǔn)確性已得到驗(yàn)證[8-9]。

1.2 工況設(shè)置

構(gòu)建長(zhǎng)高型密閉空間模型見圖1。長(zhǎng)、寬、高分別為4、4、8 m。影響壁面?zhèn)鳠岬闹饕獏?shù)導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為113 W/(m·K)(船舶用金屬)，金屬壁面厚度2 cm?；鹪垂β屎愣?0 kW，金屬壁面溫度探點(diǎn)布置如圖1，分別設(shè)置在頂部及豎向壁面位置，深度為金屬壁面內(nèi)部0.002 m處。

針對(duì)密閉空間處于不同熱環(huán)境條件下的火災(zāi)設(shè)置5種主要工況見表1。

密閉空間初始熱種類分為恒溫和豎向差溫環(huán)境2種，其中恒溫環(huán)境設(shè)置20 ℃和45 ℃2種，差溫環(huán)境設(shè)置為30,45和60 ℃3種，其中差溫環(huán)境的基礎(chǔ)溫度為20 ℃。豎向差溫設(shè)置主要通過(guò)分別定義不同內(nèi)部區(qū)域特性參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表1 密閉空間初始熱環(huán)境工況設(shè)置

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 密閉空間內(nèi)部煙氣填充特性對(duì)比分析

船舶多個(gè)艙室由于功能不同，溫度環(huán)境也存在一定差異性。環(huán)境條件可以分為低溫環(huán)境和高溫環(huán)境，低溫、高溫環(huán)境又可細(xì)分為恒溫和差溫環(huán)境。

為簡(jiǎn)化煙氣在不同熱環(huán)境條件下的密閉空間的填充過(guò)程，分別取2,5,10,15,30,50 s 6個(gè)時(shí)刻的煙氣填充時(shí)空?qǐng)D作為分析對(duì)象。

圖2和圖3分別為20和45 ℃恒濕熱環(huán)境下的煙氣填充過(guò)程。從圖2可以看出，在0～5 s時(shí)間內(nèi)，煙氣處于自由羽流上升階段；5～10 s內(nèi)，煙氣在上升過(guò)程中發(fā)生撞擊頂棚，同時(shí)沿頂棚一維蔓延階段，10～15 s內(nèi)，頂棚煙氣與密閉空間墻壁碰撞，并向下蔓延階段，15～50 s內(nèi)，煙氣在密閉空間頂部不斷積聚，并向下部空間填充。對(duì)比工況1和2：雖然密閉空間所處的恒溫環(huán)境溫度參數(shù)不同，但是對(duì)于煙氣的填充過(guò)程沒有明顯太大區(qū)別，這說(shuō)明恒溫的密閉空間環(huán)境對(duì)于煙氣的填充過(guò)程幾乎沒有影響。

圖4為30 ℃初始豎向差溫環(huán)境下的煙氣填充過(guò)程。由圖4可見，煙氣在密閉空間的填充過(guò)程與恒溫環(huán)境基本相似，但也存在一定的區(qū)別。當(dāng)為5 s時(shí)，該工況下的煙氣上升高度比工況1和2的煙氣層高度低1～1.5 m。在10 s時(shí)，煙氣才剛剛撞擊頂棚，此時(shí)工況1和工況2中的煙氣已經(jīng)沿頂棚一維蔓延同時(shí)撞擊墻壁面向下部累積填充階段。在30 s和50 s可以看出，該工況下的煙氣已經(jīng)填充整個(gè)密閉空間，與恒溫環(huán)境下的煙氣蔓延情況一致。這說(shuō)明30 ℃的差溫環(huán)境對(duì)煙氣的蔓延僅有個(gè)延遲阻礙的作用，但對(duì)整個(gè)填充的過(guò)程并無(wú)太大影響。

圖5為45 ℃初始豎向差溫環(huán)境溫下的煙氣填充過(guò)程。由圖5可見，在30 s時(shí)，在頂棚下方某一高度處出現(xiàn)煙氣的積聚現(xiàn)象；同時(shí)相比于工況3，煙氣上升的延遲現(xiàn)象大大增加，但是煙氣依然沒有出現(xiàn)撞擊頂棚的情況，這與工況3在10 s時(shí)撞擊頂棚相比，煙氣延遲撞擊頂棚的時(shí)間大大增加；在50 s時(shí)，煙氣突破了頂棚下方的煙氣積聚區(qū)域，上升到頂棚位置，并不斷的向下部空間填充。這說(shuō)明45 ℃的豎向差溫環(huán)境對(duì)于該密閉空間的煙氣的上升以及填充過(guò)程有很大的影響。

圖6為60 ℃初始豎向差溫環(huán)境溫下的煙氣填充過(guò)程。由圖6可見，當(dāng)豎向空間的溫度差異達(dá)到一個(gè)較高的水平時(shí)，煙氣上升到某一高度后，便不會(huì)再繼續(xù)上升，在此高度處的煙氣不斷積聚，直至發(fā)生煙氣向下填充的過(guò)程，最高度處的煙氣在短時(shí)間內(nèi)始終與頂棚存在一定的距離。這也說(shuō)明當(dāng)豎向差溫環(huán)境達(dá)到60 ℃時(shí)，煙氣很難或無(wú)法到達(dá)密閉空間頂棚位置。產(chǎn)生此類現(xiàn)象的原因主要是由于豎向差溫?zé)岘h(huán)境在船舶密閉空間內(nèi)部形成了一定的熱障效應(yīng)，導(dǎo)致煙氣在豎向空間的運(yùn)動(dòng)受阻導(dǎo)致的，當(dāng)煙氣本身的熱浮力小于熱障效應(yīng)帶來(lái)的影響時(shí)，煙氣便無(wú)法沖破熱障區(qū)，到達(dá)頂棚位置。

終上所述，當(dāng)密閉空間的環(huán)境溫度存在區(qū)別，其火災(zāi)煙氣的填充過(guò)程同樣存在區(qū)別。當(dāng)密閉空間處于恒溫均一環(huán)境時(shí)，無(wú)論環(huán)境溫度是多少，其煙氣填充過(guò)程基本一致，無(wú)明顯區(qū)別；當(dāng)豎向差溫環(huán)境較小時(shí)，煙氣的填充過(guò)程相比于恒溫環(huán)境略有延遲，但是其填充過(guò)程也無(wú)明顯差別；當(dāng)豎向差溫達(dá)到一個(gè)較高水平時(shí)，煙氣會(huì)在某一高度處出現(xiàn)積聚現(xiàn)象，并不斷的向下部空間填充，同時(shí)煙氣無(wú)法到達(dá)空間頂棚位置。這也為處于不同的熱環(huán)境條件下船舶艙室的火災(zāi)煙氣控制提供一定的指導(dǎo)：當(dāng)恒溫環(huán)境或者豎向差溫環(huán)境取值較低時(shí)，其通風(fēng)防排煙可以考慮頂棚位置；當(dāng)豎向熱環(huán)境差異達(dá)到一定的值時(shí)，煙氣上升受限，其通風(fēng)防排煙的相關(guān)設(shè)備則可以考慮設(shè)置在頂棚下方的壁面位置。

2.2 密閉空間壁面熱傳導(dǎo)差異分析

由于船舶壁面多采用金屬材質(zhì)，其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建筑的混凝土壁面，所以船舶內(nèi)部空間壁面受火災(zāi)影響較大。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，這些區(qū)別會(huì)對(duì)船舶的金屬壁面產(chǎn)生一定的熱傳導(dǎo)效應(yīng)。取金屬壁面0.002 m深度的內(nèi)部溫度作為研究對(duì)象。

不同熱環(huán)境條件下密閉空間頂棚及壁面的內(nèi)部溫度分布見圖7。由圖7可見，當(dāng)熱環(huán)境為恒溫20 ℃(見圖7a))時(shí)，頂棚溫度最高，壁面溫度隨著壁面高度的降低而逐漸降低；當(dāng)熱環(huán)境為恒溫45 ℃(見圖7b))時(shí)，其規(guī)律與工況1基本一致，但是頂棚溫度與壁面溫度的差距相比工況1要小。

當(dāng)密閉空間熱環(huán)境為差溫30 ℃時(shí)(見圖7c))，頂棚溫度依然最高，但是可以看出，其溫升與壁面溫度的差值比工況1和2小很多；當(dāng)密閉空間熱環(huán)境為差溫45 ℃(圖7d))時(shí)，可以看出此時(shí)壁面溫度出現(xiàn)比頂棚溫度高的現(xiàn)象，當(dāng)壁面高度為6.2 m時(shí)，溫度最高，其次為5.8 m；當(dāng)熱環(huán)境溫度為差溫60 ℃(圖7e))時(shí)，可以明顯看出：其頂棚溫度分布和頂棚附近壁面溫度相對(duì)較低，相反的，在頂棚下方的5.8 m處的金屬壁面溫度取值最高，其次為6.2 m。與工況4相比，可以看出，隨著豎向差溫取值的不斷增大，其壁面最高溫度所在的壁面高度在不斷降低。工況4和5的船舶金屬壁面溫度分布規(guī)律也與煙氣在該密閉空間的填充過(guò)程相吻合。

通過(guò)對(duì)頂棚以及壁面的內(nèi)部溫度分析發(fā)現(xiàn)：在不同的熱環(huán)境條件下，其壁面受影響區(qū)域也不同，當(dāng)處于恒溫環(huán)境或者豎向差溫環(huán)境取值較低時(shí)，其金屬密閉空間壁面的受影響范圍主要集中在頂棚和頂棚附近的壁面區(qū)域；當(dāng)豎向差溫環(huán)境取值較大時(shí)，其金屬密閉空間壁面的受影響范圍多集中在頂棚下方的壁面區(qū)域，對(duì)頂棚影響較小，同時(shí)其豎向熱環(huán)境差值越大，其金屬壁面的最高溫度的分布高度也在不斷降低。

3 結(jié)論

1)熱環(huán)境對(duì)于煙氣在密閉空間的填充過(guò)程有很大的影響：恒溫環(huán)境和較低差溫環(huán)境下，除較低差溫環(huán)境對(duì)煙氣的填充略有一定的延遲外，其填充過(guò)程基本一致；當(dāng)豎向差溫環(huán)境較大時(shí)，其煙氣填充過(guò)程與之前存在很大的區(qū)別，煙氣多聚集在頂棚下方的區(qū)域，短時(shí)間內(nèi)很難達(dá)到頂棚位置。研究表明，當(dāng)船舶艙室在不同熱環(huán)境條件下時(shí)，其排煙口的安裝位置也應(yīng)有所區(qū)別。

2)熱環(huán)境對(duì)于金屬壁面的熱傳導(dǎo)也有一定的影響：不同熱環(huán)境條件下，對(duì)金屬壁面的主要影響區(qū)域也存在一定的區(qū)別。這也為不同熱環(huán)境條件下的船舶金屬壁面的火災(zāi)重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域提供一定的指導(dǎo)。

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Characteristics of Fuel Gas Filling and Wall Heat Transfer Effect under Different Thermal Environment of Confined Space

HUANG Yu-biao, YANG Li-zhong, ZHENG Yuan, HUANG Dan-yan

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

FDS (Fire Dynamic Simulator) was adopted to analyze the fuel gas filling features of the confined space of the ship under different thermal environment. Research showed that constant temperature environment and lower differential temperature environment has little impact on the fuel gas filling process. However, it has a significant influence on the filling process when the differential thermal environment reached a certain level. The analysis of the temperature of inside wall and ceiling of the confined space showed that different thermal environment determines the wall temperature distribution.

confined space; thermal environment; fuel gas filling process; thermal conduction; FDS

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.001

2017-01-18

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(資助號(hào)：51323010)和中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(資助號(hào)：WK2320000033)

黃玉彪(1991—)，男，博士生

研究方向：火災(zāi)煙氣流動(dòng)與控制

U662

A

1671-7953(2017)03-0001-05

修回日期：2017-03-07