艦船起火艙室對(duì)鄰艙的傳熱數(shù)值模擬

張光輝，夏子潮，晁小雨，浦金云

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

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艦船起火艙室對(duì)鄰艙的傳熱數(shù)值模擬

張光輝，夏子潮，晁小雨，浦金云

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

針對(duì)艦船火災(zāi)中起火艙室對(duì)相鄰艙室的傳熱過(guò)程及臨艙的溫度分布問(wèn)題，采用數(shù)值模擬方法，在合理假設(shè)的前提下，建立相鄰艙室的熱量傳遞模型，并采用FDS分析水平方向鄰艙傳熱過(guò)程和豎直方向鄰艙傳熱過(guò)程。模擬結(jié)果表明，起火艙室對(duì)鄰艙傳熱以艙壁與熱空氣的對(duì)流和艙壁內(nèi)部的熱傳導(dǎo)為主，鄰艙中氣體溫度變化速度先快后慢，同一時(shí)刻，艙室內(nèi)不同位置處溫度變化差異較大，冷艙壁吸收的熱流大部分來(lái)自于熱艙壁的輻射熱。

艦船；艙室；火災(zāi)；傳熱

火災(zāi)與爆炸是破壞艦船的主要原因之一[1]，近幾年來(lái)，也有許多艦船在日常維修、訓(xùn)練中因起火而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。因此，火災(zāi)消防工作已經(jīng)成為了各國(guó)海軍艦船損管的主要內(nèi)容。

火源與周圍環(huán)境間的傳熱過(guò)程是火災(zāi)科學(xué)研究的一個(gè)重要方向。在火災(zāi)發(fā)生閃燃后的5 min內(nèi)，火災(zāi)就有可能向水平方向或豎直方向蔓延[2]，因此，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為防止火勢(shì)擴(kuò)散，減小火災(zāi)損失，需要盡快劃分防煙邊界與防火邊界。目前，國(guó)外學(xué)者Cooper針對(duì)具有不同幾何形狀的艙室進(jìn)行了火災(zāi)熱量研究，發(fā)現(xiàn)有60%～90%的熱量被艙壁吸收，當(dāng)艙室具有較大的寬高比且頂棚較為水平時(shí)，艙壁接受的熱量較少，當(dāng)艙室寬高比較小且頂棚形狀不規(guī)則時(shí)，艙壁接收的熱量較多。White等建立了艙室火災(zāi)轟燃后向相鄰艙室傳熱的瞬態(tài)非線性方程，通過(guò)牛頓迭代求解出理論值，比較了不同對(duì)流換熱表面系數(shù)、氣體黑度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合情況，并發(fā)現(xiàn)熱艙壁對(duì)冷艙壁的傳熱中熱輻射占主導(dǎo)作用[3]。Ghojel以木垛火為火源，假設(shè)考慮了燃燒產(chǎn)物的輻射吸收率與輻射發(fā)射率，并通過(guò)建立能量守恒方程，計(jì)算了結(jié)構(gòu)壁面的溫升過(guò)程，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比[4]。在艙壁結(jié)構(gòu)材料傳熱方面，Kontogeorgos利用HTRAN代碼計(jì)算了石膏與鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)在ISO834火災(zāi)中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象[5]。

總體而言，目前針對(duì)艦船火災(zāi)的研究大部分集中在單個(gè)艙室內(nèi)的火災(zāi)發(fā)展及煙氣流動(dòng)方面，對(duì)相鄰艙室間的傳熱研究較少。因此，考慮結(jié)合艦船艙室環(huán)境特性，研究艙室的傳熱機(jī)理，討論艙室火災(zāi)轟燃后起火艙室氣體及艙壁的傳熱過(guò)程和起火艙室對(duì)相鄰艙室的傳熱過(guò)程及鄰艙的溫度分布，為解決艦船艙壁安全防護(hù)問(wèn)題提供技術(shù)支撐。

1 鄰艙傳熱過(guò)程分析

1.1 單艙室火災(zāi)能量守恒模型

根據(jù)能量守恒定律，火源釋放的熱量用于:

(1)

以煤油為例，燃燒熱為40.3MJ/kg，蒸發(fā)潛熱為0.857 40.3MJ/kg，因此，反饋到燃料用于蒸發(fā)的熱量與熱釋放速率比值為

(2)

對(duì)單室火災(zāi)過(guò)程做出如下假設(shè)。

1)轟燃后艙室內(nèi)上部分為熱煙氣，下部分為空氣，即單室火災(zāi)的雙區(qū)域模型。

2)艙壁整個(gè)內(nèi)表面的傳熱系數(shù)相同。

3)忽略鋼構(gòu)件連接處和角落等產(chǎn)生的傳熱效應(yīng)，認(rèn)為艙壁邊界為一維傳熱過(guò)程。

則氣體吸收的熱量為

(3)

式中：Vg,u為上方氣體體積；cg,u為上方氣體比熱容；ρg,u為上方氣體密度；Tg,u為上方氣體溫度；Vg,l為下方氣體體積；cg,l為下方氣體比熱容；ρg,l為下方氣體密度；Tg,l為下方氣體溫度；T∞為環(huán)境溫度，即艙室內(nèi)氣體初始溫度。

艙壁吸收熱量為

(4)

式中：cp,w為艙壁比熱容；A為艙壁內(nèi)表面面積；δ為艙壁厚度；ρw為艙壁密度；Tw為艙壁溫度。

1.2 鄰艙傳熱模型

熱流從起火艙室與鄰艙間的艙壁傳出，通過(guò)輻射、對(duì)流的方式對(duì)鄰艙氣體和艙壁進(jìn)行傳遞。對(duì)鄰艙傳熱過(guò)程做出以下假設(shè)。

1)鄰艙為封閉艙室，艙室內(nèi)壓力恒定。

2)艙室內(nèi)氣體視為灰體，溫度一致。

3)艙壁結(jié)構(gòu)均為“熱薄型”，其中與起火艙室相鄰的艙壁稱為熱艙壁，其他5個(gè)壁面稱為冷艙壁。

4)假定艙壁為灰體，以有效輻射J簡(jiǎn)化計(jì)算。

5)艙室內(nèi)氣體被艙壁完全包圍，即視角系數(shù)Fh,g=1，F(xiàn)c,g=1。

艙室的傳熱過(guò)程見(jiàn)圖1。

艙室內(nèi)輻射的輻射換熱網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖2。

根據(jù)基爾霍夫定律，流入每個(gè)節(jié)點(diǎn)Ji的熱流之和為零，從而可以列出熱壁面和冷壁面的有效輻射的方程[7]分別為

(5)

式中：Eh，Eg，Ec分別為熱壁面、氣體、冷壁面的輻射能。Ri相當(dāng)于Ei與J之間的表面輻射熱阻，分別計(jì)算如下。

(6)

艙室內(nèi)氣體吸收的熱量主要有熱壁面的對(duì)流熱、熱壁面的熱輻射、冷壁面的熱輻射，同時(shí)通過(guò)冷壁面的熱對(duì)流散失熱量。由鄰艙氣體壓強(qiáng)不變假設(shè)，因此可近似認(rèn)為氣體的能量不變。可得氣體的熱平衡方程式。

(7)

式中：hcv,h→g和hcv,c→g分別為熱壁面和冷壁面對(duì)氣體的對(duì)流傳導(dǎo)系數(shù)。

同理，可以根據(jù)能量守恒得到冷壁面的熱平衡方程：

(8)

2 算例

建立艙室傳熱的CFD模型。假定火災(zāi)場(chǎng)景為起火艙室通過(guò)水平或豎直向相鄰的艙室傳熱。根據(jù)相關(guān)模擬艙室實(shí)驗(yàn)和前述數(shù)值計(jì)算結(jié)果，將熱源設(shè)定為2個(gè)艙室的交界艙壁，壁面材料為鋼板。由于火災(zāi)中起火艙室的壁面溫度上升速度遠(yuǎn)大于鄰艙的艙室氣體溫度上升速度，因此假設(shè)交界艙壁為熱源，初始溫度為600 ℃，其他壁面初始溫度為20 ℃。根據(jù)熱源艙壁的位置，將鄰艙傳熱分為水平方向傳熱和豎直方向傳熱2種情況[8-11]，具體見(jiàn)圖3。

2.1 水平方向鄰艙傳熱分析

在水平艙室傳熱模型中，艙室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)長(zhǎng)、寬、高為3.0、3.0和2.4 m，在X-Z平面對(duì)稱。為進(jìn)一步量化研究溫度在水平方向的分布，在Y=1.5 m，Z=1.0 m的平面上每隔0.2 m設(shè)置了熱電偶。幾個(gè)不同位置上熱電偶溫度隨時(shí)間變化見(jiàn)圖4～7。

由圖4可見(jiàn)，水平方向上的熱電偶總體趨勢(shì)是在150 s左右達(dá)到溫度最大值，隨后逐漸下降，溫度降低速率逐漸減慢，最后達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

根據(jù)溫度變化趨勢(shì)，做出同一時(shí)刻不同位置上熱電偶溫度變化情況，如圖5所示。由于已知溫度變化先快后慢，因此對(duì)時(shí)間進(jìn)行了不規(guī)則的取值，即先密后疏，討論所選用的時(shí)刻分別為60 s、240 s、600 s、1 000 s、3 000 s和6 000 s。總體而言，熱電偶與壁面距離為2.5m以內(nèi)時(shí)，溫度隨著距離增大而減小，可近似為線性關(guān)系。當(dāng)距離大于2.5 m時(shí)，由于艙室上方熱空氣遇到豎直壁面后逐漸沉降，因此距離熱壁面越遠(yuǎn)，溫度反而越高。但隨著艙室內(nèi)氣體進(jìn)一步混合，這種趨勢(shì)隨時(shí)間變化而逐漸減弱，最終在6 000 s時(shí)溫度達(dá)到一致。

圖6是作為熱源的熱壁面和其對(duì)面的冷壁面的溫度變化圖。從圖6可見(jiàn)，兩者變化都是先快后慢，熱壁面在5 500 s以后逐漸趨于平緩，而冷壁面溫度在3 500 s后也逐漸穩(wěn)定。由圖6氣體溫度變化可以知道，6 000 s時(shí)熱壁面附近氣體溫度為62.5 ℃，仍與熱壁面存在溫度差，因此在熱壁面處還會(huì)繼續(xù)進(jìn)行緩慢的對(duì)流換熱。最終熱壁面溫度穩(wěn)定在140 ℃，冷壁面溫度穩(wěn)定在51 ℃。

除了氣體溫度變化以外，艙壁接收的熱流及形式也影響了艙室內(nèi)冷艙壁溫度的變化規(guī)律。與熱艙壁(xmin)相對(duì)的豎直冷艙壁(xmax)接收的熱流情況如圖7所示。

冷艙壁的對(duì)流傳熱先增大，后逐漸降低，呈現(xiàn)出與空氣溫度變化相同的趨勢(shì)，與對(duì)流換熱的理論結(jié)算趨勢(shì)相符。熱輻射的下降速度先快后慢，與熱壁面溫度變化趨勢(shì)相同，因此可以推斷豎直冷壁面接收的熱輻射大部分來(lái)自與熱壁面，少量來(lái)自于熱空氣。在數(shù)量方面，熱輻射最大為6.26 kW/m2，平均值為1.02 kW/m2，而對(duì)流熱最大值為0.68 kW/m2，平均值為0.185 kW/m2，對(duì)流熱僅為輻射熱的10%左右，因此可進(jìn)一步驗(yàn)證冷壁面主要依靠熱輻射升溫的推斷。

2.2 豎直方向鄰艙傳熱分析

在豎直方向傳熱模型中，所研究的目標(biāo)艙室在起火艙室的正上方，即熱艙壁為z=0 m平面上的壁面。

在豎直方向上，選取距離地面(z=0 m)處0.1 m、1.2 m、2.4 m的熱電偶，其溫度隨時(shí)間變化如圖8所示。

從圖8中可以看出，距離熱壁面越近，溫度越高。3個(gè)位置的溫度在170 s左右達(dá)到最大值，分別為211 ℃、180 ℃、163 ℃。隨后溫度開(kāi)始下降，下降速率與水平艙室傳熱的空氣變化規(guī)律相同，也是逐漸減小。

根據(jù)溫度在豎直方向上的變化，做出60 s、240 s、600 s、1 000 s、3 000 s和6 000 s時(shí)距離地面不同位置處的熱電偶溫度變化，見(jiàn)圖9。

t=60 s時(shí)曲線斜率最大，即各熱電偶間的溫度梯度最大。隨著時(shí)間發(fā)展，各個(gè)熱電偶間的溫度差逐漸減小，最終趨于相等，6 000 s時(shí)溫度穩(wěn)定在80 ℃左右。

冷熱艙壁溫度的變化曲線見(jiàn)圖10?？梢钥闯?，豎直方向艙室傳熱中冷熱艙壁的溫度變化與水平方向傳熱的變化規(guī)律相似，對(duì)熱艙壁溫度變化進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)溫度與時(shí)間之間的關(guān)系為

T=exp(a+bt+ct2)

(9)

取a=6.33 253，b=-4.093 91×10-4，c=3.159 29×10-8。

與熱艙壁相對(duì)的冷艙壁接收熱流變化見(jiàn)圖11。

可以看出，熱輻射最大為9.75 kW/m2，平均值1.58 kW/m2，而對(duì)流熱最大值為1.13 kW/m2，平均值為0.281 kW/m2，輻射熱流約為對(duì)流熱的5倍。與水平方向艙室傳熱的結(jié)果相比，對(duì)流熱所占比例增加。這主要是因?yàn)闊嵩幢砻媾c其對(duì)立面在豎直方向上平行，空氣對(duì)流時(shí)受到水平方向上的擾動(dòng)小。因而冷熱空氣的動(dòng)量在豎直方向上的分量較大，水平方向上的分量較小，加速了艙室內(nèi)上下冷熱空氣的對(duì)流傳熱。同時(shí)根據(jù)傳熱系數(shù)的相關(guān)計(jì)算方法，水平壁面與豎直壁面的換熱系數(shù)不同，即從理論上也可以得到解釋。

3 結(jié)論

1)起火艙室對(duì)鄰艙傳熱以艙壁與熱空氣的對(duì)流和艙壁內(nèi)部的熱傳導(dǎo)為主。其中，艙壁內(nèi)部熱傳導(dǎo)為一維導(dǎo)熱問(wèn)題，使用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料作為艙壁可以有效減小對(duì)鄰艙的熱效應(yīng)。增大對(duì)流傳熱系數(shù)，施加水霧噴淋也可降低艙壁溫度。

2)在鄰艙中氣體溫度變化速度先快后慢，總體而言，距離熱壁面越近，溫度越高。

3)在同一時(shí)刻，艙室內(nèi)不同位置處溫度變化差異較大。當(dāng)t=240時(shí)，溫度梯度最明顯。

4)在起火艙室相鄰的艙室中，冷艙壁吸收的熱流大部分來(lái)自于熱艙壁的輻射熱，僅有10%左右來(lái)自于對(duì)流熱。熱艙壁溫度變化可以通過(guò)對(duì)數(shù)函數(shù)擬合，進(jìn)而對(duì)溫度變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.003

Simulation of Heat Transfer of the Fire Compartment to the Adjacent Cabin in Ship

ZHANG Guang-hui, XIA Zi-chao, CHAO Xiao-yu, PU Jin-yun

(Power Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to study the heat transfer of the fire compartment of the ship to the adjacent cabin and the temperature distribution of the adjacent cabin, a model of heat transfer between adjacent compartments was established to simulate the heat transfer process in the horizontal and vertical direction of adjacent cabin respectively with FDS. The numerical results showed that the heat transfer of the fire compartment to the adjacent cabin is most about the heat convection between bulkhead and hot air and the heat conduction inside the bulkhead, the rate of temperature change in the adjacent cabin heat is rapidly at first and then slowly, at the same time, the cabin temperature at different locations are very different, the heat flux absorbed by the cold bulkhead comes mostly from the radiant heat of the thermal bulkhead.

ship; cabin; fire; heat transfer

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.002

2017-01-18

國(guó)家部委基金資助

張光輝(1979—)，男，博士，講師

研究方向：艦艇安全技術(shù)與工程

U698.4；X928.1；TK121

A

1671-7953(2017)03-0006-05

修回日期：2017-03-02