基于FDS的船舶客艙火災(zāi)危險(xiǎn)性數(shù)值模擬研究

吳哲非+謝啟苗

摘 要：隨著現(xiàn)代船舶行業(yè)的飛速發(fā)展，船舶的使用率又有了進(jìn)一步的提升，但是隨之而來(lái)的船舶火災(zāi)事故也是日益增多，而客艙，作為船舶的重要組成部分之一，又涉及到人員的安全，發(fā)生火災(zāi)時(shí)的危險(xiǎn)性不言而喻。本文主要研究的是船舶客艙火災(zāi)危險(xiǎn)性數(shù)值模擬分析，首先分析總結(jié)船舶客艙火災(zāi)的主要特點(diǎn)和原因，接著通過(guò)PyroSim軟件對(duì)某一船舶客艙進(jìn)行3D物理模型建立和火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)，再通過(guò)FDS進(jìn)行模擬，得出溫度、煙氣濃度和能見(jiàn)度這三個(gè)危險(xiǎn)性數(shù)值來(lái)研究分析，并結(jié)合實(shí)際情況提出可行的防火建議，為今后類(lèi)似的船舶客艙火災(zāi)問(wèn)題提供有益的數(shù)據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：船舶客艙；火災(zāi)；數(shù)值模擬；能見(jiàn)度

1.引言

近年來(lái)我國(guó)航運(yùn)業(yè)由于船舶火災(zāi)事故所造成的重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡一直存在，加之船舶火災(zāi)的頻發(fā)性和嚴(yán)重性等特點(diǎn)[1]，國(guó)際海事組織（IMO）對(duì)此也早已高度重視并已制定出各種公約來(lái)從一定程度上確保船舶消防的安全，例如ISM規(guī)則就著重強(qiáng)調(diào)了人（即船員）在船舶消防中所需要發(fā)揮的重要作用[2]。所以，對(duì)于船舶火災(zāi)的研究是非常具有現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值的，無(wú)論是對(duì)其預(yù)防工作還是補(bǔ)救工作都能提供有效的幫助和依據(jù)。

2. 船舶客艙火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

2.1 空間尺寸及網(wǎng)格劃分

本文利用PyroSim軟件對(duì)某一層船舶客艙進(jìn)行3D物理建模，對(duì)其進(jìn)行模型簡(jiǎn)化建立?？偪臻g尺寸為長(zhǎng)×寬×高=18m×22m×2.6m，X，Y，Z 軸的網(wǎng)格數(shù)分別為90，120，15，最小的網(wǎng)格尺寸為0.2×0.18×0.17，網(wǎng)格總數(shù)為162000。FDS物理模型場(chǎng)景如圖2.1所示。設(shè)置這樣的網(wǎng)格模型是基于既可以比較準(zhǔn)確的表現(xiàn)出該船舶客艙的基本情況，又可以在節(jié)約運(yùn)算時(shí)間的基礎(chǔ)上得到相對(duì)比較精確的模擬結(jié)果[3]。

2.2空間內(nèi)的組分及其材料設(shè)定

本文主要的研究對(duì)象是某一層船舶客艙，共有11個(gè)客艙，每個(gè)客艙內(nèi)都設(shè)有單獨(dú)的陽(yáng)臺(tái)和衛(wèi)生間，一個(gè)主門(mén)通向走廊（1m×2m），客艙內(nèi)的主要組分包括床配套（床鋪、床單、枕頭、被子、床頭柜、床頭燈），沙發(fā)配套（沙發(fā)、靠墊、茶幾、茶具），衣櫥、窗簾、寫(xiě)字臺(tái)、電視、筆記本電腦、椅子、柜子、垃圾桶等?？团搩?nèi)的一些主要組成部分詳見(jiàn)下表3.1。

2.3火災(zāi)場(chǎng)景及火源設(shè)置

本文主要針對(duì)不同火源位置情況下的船舶客艙火災(zāi)進(jìn)行研究分析，所以主要分為兩種情況，一種是將火源設(shè)置在室內(nèi)，即船舶的某一個(gè)客艙內(nèi)；另一種是將火源設(shè)置在客艙外的走道上，即發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員疏散的必經(jīng)之路上，通過(guò)這兩種不同的情況對(duì)于船舶客艙火災(zāi)危險(xiǎn)性數(shù)值進(jìn)行模擬分析，得出有效結(jié)論。本文進(jìn)行的模擬火源的設(shè)置為1200 。

2.4通風(fēng)口及各類(lèi)傳感器設(shè)置

本文進(jìn)行的船舶客艙危險(xiǎn)性數(shù)值模擬主要是分析溫度、煙氣濃度和能見(jiàn)度三個(gè)要素，所以設(shè)置的傳感器類(lèi)型也是主要圍繞著三個(gè)要素，首先在整個(gè)模型1.7m的高度處設(shè)置了兩個(gè)切片，一個(gè)溫度切片，一個(gè)能見(jiàn)度切片用來(lái)反映1.7m處的溫度和能見(jiàn)度情況；接著在每個(gè)客艙門(mén)口高0.7m和1.7m處各設(shè)置一個(gè)溫度傳感器和煙氣濃度傳感器，如果是客艙內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)的情況，首選的肯定是向室外逃生，而陽(yáng)臺(tái)外面就是大海，應(yīng)該不予選擇，剩下的就是向走廊逃生，必經(jīng)之路就是客艙大門(mén)，所以對(duì)于客艙門(mén)處的危險(xiǎn)性數(shù)值分析也十分必要；然后每個(gè)陽(yáng)臺(tái)門(mén)1.7m處也各設(shè)置了一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)煙氣濃度傳感器，如果遇到特殊情況導(dǎo)致無(wú)法從客艙門(mén)進(jìn)行逃生，一直呆在室內(nèi)又有一定的危險(xiǎn)性，這時(shí)就可以退到陽(yáng)臺(tái)外等待救援人員的到來(lái)，所以陽(yáng)臺(tái)門(mén)的危險(xiǎn)性情況也需要考慮；再有就是室內(nèi)的危險(xiǎn)性的情況也十分必要，所以在接近整個(gè)客艙中心的位置1.7m高處同樣設(shè)置一個(gè)溫度，一個(gè)煙氣濃度傳感器，由于是室內(nèi)，所以在附近再設(shè)置一個(gè)能見(jiàn)度傳感器來(lái)觀察火災(zāi)發(fā)生時(shí)客艙內(nèi)部的能見(jiàn)度情況，再加一個(gè)煙氣層高度探測(cè)器，煙氣層高度同樣是火災(zāi)發(fā)生時(shí)十分重要的參數(shù)之一，煙氣層高度一旦超過(guò)了客艙內(nèi)部人員視力的高度就會(huì)對(duì)人員疏散產(chǎn)生一定的影響，而過(guò)低的煙氣層高度也會(huì)影響逃生人員的視覺(jué)和視界，增加火災(zāi)危險(xiǎn)性以及逃生的難度；最后在客艙外的走廊兩個(gè)盡頭外加整層客艙的出口位置同樣設(shè)置能見(jiàn)度探測(cè)器以及煙氣層高度探測(cè)器，反映火災(zāi)發(fā)生時(shí)客艙外走廊的危險(xiǎn)狀況。通風(fēng)設(shè)置主要設(shè)置在每個(gè)陽(yáng)臺(tái)外面，模擬陽(yáng)臺(tái)門(mén)敞開(kāi)的情況。

3. 基于FDS的船舶客艙火災(zāi)危險(xiǎn)性數(shù)值模擬分析

本文通過(guò)PyroSim軟件對(duì)船舶客艙建模之后，運(yùn)用FDS進(jìn)行火災(zāi)模擬，進(jìn)而分析研究溫度[4]、煙氣濃度和能見(jiàn)度三個(gè)危險(xiǎn)性數(shù)值。溫度和煙氣是干擾人員疏散的主要因素，而煙氣的遮光性和障礙物的封閉效應(yīng)對(duì)發(fā)生火災(zāi)時(shí)的可見(jiàn)度又有很大的影響[5]。

3.1溫度分析

3.1.1火源位置一（室內(nèi)）溫度分析

首先對(duì)Z=1.7m的溫度切片進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生后300s時(shí)，存在火源的那間客艙內(nèi)的溫度已經(jīng)基本達(dá)到了最大值，到700s時(shí)，大多數(shù)客艙內(nèi)的溫度也陸續(xù)達(dá)到了最大值，等到1200s模擬結(jié)束時(shí)，各個(gè)客艙內(nèi)的溫度基本趨于穩(wěn)定，由于通風(fēng)口的存在不斷的會(huì)有新鮮空氣進(jìn)入船舶客艙，導(dǎo)致火勢(shì)不會(huì)因?yàn)榛鹪吹娜紵戤叾冃』蛲Ｖ埂Ｏ聢D3.1（a）折線圖1反映的是火源客艙的大門(mén)口1.7m和0.7m處的溫度變化情況，接近300s左右火災(zāi)煙氣的高溫開(kāi)始影響明顯，接著就是溫度的持續(xù)快速上升，1.7m處在540s左右溫度達(dá)到最大值，而較低位置的0.7m則到660s左右才達(dá)到溫度的最大值，且最大溫度低了將近120℃，之后溫度開(kāi)始慢慢的下降，最后1.7m處穩(wěn)定在350℃左右，0.7m處穩(wěn)定在310℃左右。而火源位置附近設(shè)置1.7m處由于離火源位置比較靠近，導(dǎo)致在780s左右溫度又有了進(jìn)一步的上升，產(chǎn)生二次升溫，所以越靠近火源，火災(zāi)危險(xiǎn)性就越大。

3.1.2火源位置二（室外）溫度分析

同樣對(duì)Z=1.7m的溫度切片進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)初期由于火源在走廊，所以整條走廊的溫度上升速度比較迅速，400s時(shí)整條走廊的溫度基本達(dá)到最大值，由于火源是在走廊中，客艙內(nèi)部陽(yáng)臺(tái)又設(shè)置為通風(fēng)，所以客艙內(nèi)部的溫度并不像火源在室內(nèi)的情況那樣高，但是火災(zāi)危險(xiǎn)性依舊存在，火勢(shì)也有可能從走廊蔓延到室內(nèi)。下圖3.2（a）折線圖2反映的是正對(duì)火源以及最靠近火源的兩個(gè)客艙的門(mén)口1.7m和0.7m的溫度變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，不同于上一種情況溫度在持續(xù)上升一段時(shí)間之后會(huì)開(kāi)始下降，溫度一直保持上升的趨勢(shì)，只是上升的幅度相對(duì)較小，最后同樣趨于穩(wěn)定。endprint

3.2煙氣濃度分析

下圖3.3是根據(jù)設(shè)置在火源客艙門(mén)口的煙氣傳感器得出的數(shù)據(jù)所繪制的煙氣濃度折線圖，可以非常清晰的看出發(fā)生火災(zāi)后煙氣蔓延的速度非常迅速，將近30s的時(shí)間門(mén)口1.7m處的煙氣濃度就基本達(dá)到100%，同時(shí)可以很直觀的看出不同高度的煙氣濃度變化的差異，0.7m處直到280s左右煙氣濃度才開(kāi)始上升，主要原因就是頂棚射流原理。

下圖3.4是根據(jù)設(shè)置在火源客艙門(mén)口的煙氣傳感器得出的數(shù)據(jù)所繪制的煙氣濃度折線圖，相對(duì)于火源在室內(nèi)的情況，煙氣濃度上升的速度明顯要緩慢許多，但是高度對(duì)于煙氣濃度的影響依然存在，同樣是1.7m處的煙氣濃度上升的速度明顯快于0.7m處，并且煙氣濃度的上升趨勢(shì)相對(duì)火源在室內(nèi)的情況比較不穩(wěn)定，加上通風(fēng)的作用導(dǎo)致煙氣濃度很難達(dá)到100%。

3.3能見(jiàn)度分析

客艙內(nèi)部著火后，產(chǎn)生的煙氣由于頂棚射流沿著客艙頂部向四周運(yùn)動(dòng)，直至充滿客艙頂部，接著煙氣層開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也在影響著覆蓋區(qū)域的能見(jiàn)度隨著煙氣濃度的不斷增大，客艙內(nèi)部的能見(jiàn)度開(kāi)始逐漸降低，直至整個(gè)客艙內(nèi)部的能見(jiàn)度趨于零，同時(shí)煙氣也在不停地向室外，即走廊蔓延，降低走廊上的能見(jiàn)度。

根據(jù)下圖3.5可以發(fā)現(xiàn)80s左右的時(shí)候整條走廊的能見(jiàn)度已經(jīng)基本趨于0了，煙氣已經(jīng)開(kāi)始向其他客艙內(nèi)部進(jìn)行蔓延，等到345s左右，火災(zāi)發(fā)展到一定程度后，基本整個(gè)船舶客艙的能見(jiàn)度都已經(jīng)接近最小值，處于十分危險(xiǎn)的狀況。

客艙外部走廊著火后，產(chǎn)生的煙氣同樣由于頂棚射流沿著客艙頂部向四周運(yùn)動(dòng)，直至充滿客艙外走廊頂部，接著煙氣層開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)向其他客艙內(nèi)部蔓延，蔓延的同時(shí)也在影響著覆蓋區(qū)域的能見(jiàn)度，隨著煙氣濃度的不斷增大，客艙內(nèi)部的能見(jiàn)度開(kāi)始逐漸降低，直至整個(gè)客艙內(nèi)部的能見(jiàn)度趨于零，但是由于客艙內(nèi)部設(shè)計(jì)存在陽(yáng)臺(tái)進(jìn)行通風(fēng)，所以煙氣并不會(huì)積聚在客艙內(nèi)部，雖然延期不斷的涌入客艙，但客艙內(nèi)部的能見(jiàn)度還是會(huì)比走廊要好。

根據(jù)下圖3.6可以發(fā)現(xiàn)由于火源是在走廊，所以44s左右的時(shí)候整條走廊的能見(jiàn)度已經(jīng)基本趨于0了，煙氣已經(jīng)開(kāi)始向其他客艙內(nèi)部進(jìn)行蔓延，等到250s左右，基本整個(gè)船舶客艙的能見(jiàn)度都已經(jīng)接近零，處于十分危險(xiǎn)的狀況。

4.結(jié)論與對(duì)策建議

通過(guò)對(duì)兩種工況下火災(zāi)發(fā)展及蔓延的對(duì)比研究，可以得出以下結(jié)論：（1）對(duì)于溫度的分析，兩種情況下的客艙溫度上升均比較迅速，對(duì)比下來(lái)，火源在室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)之后危險(xiǎn)性更加容易擴(kuò)散到客艙外部，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)環(huán)境的危險(xiǎn)性大大增加，室內(nèi)的最高溫度可以達(dá)到800攝氏度以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人體所能承受的溫度。（2）火災(zāi)發(fā)生后煙氣的蔓延速度也比較迅速，特別是走廊中的煙氣，由于頂棚射流的作用，基本90s左右的時(shí)間走廊上就充滿了火災(zāi)煙氣，而走廊又是逃生的重要路徑，所以對(duì)于走廊上的煙氣蔓延問(wèn)題也需要一定的解決措施，例如相應(yīng)的排煙措施和設(shè)備的有效使用。（3）火災(zāi)發(fā)生在走廊上能見(jiàn)度下降至1m以下的速度比火源在室內(nèi)的情況要快將近一倍的時(shí)間，能見(jiàn)度不足會(huì)嚴(yán)重影響人員的逃生。（4）根據(jù)模擬結(jié)果分析，首先船舶客艙內(nèi)部需要一定的水噴淋系統(tǒng)，可以在火勢(shì)還未變大的時(shí)候進(jìn)行有效地抑制，將客艙內(nèi)部以及走廊的煙氣溫度進(jìn)行有效的降低，消防設(shè)備的數(shù)量和正常使用需要進(jìn)行保障；客艙頂部的防熱處理需要重視，盡量在建造材料以及組分材料上選取燃燒時(shí)不太容易產(chǎn)生有毒氣體的材料，盡可能從根源上避免有毒氣體的產(chǎn)生，機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)對(duì)于降低客艙內(nèi)的煙氣濃度也有一定的幫助，能夠有效的控制高溫及有毒煙氣的擴(kuò)散，同時(shí)實(shí)施合理的防排煙措施，有效地提高能見(jiàn)度，使人員可以更加迅速安全地進(jìn)行疏散和逃生。

此外，本文也只是根據(jù)所得出的危險(xiǎn)性數(shù)值提出建議，后續(xù)的人員疏散的具體情況模擬研究也十分有必要，包括結(jié)合人的生理、心理影響等進(jìn)一步研究都對(duì)于更好地了解船舶客艙火災(zāi)危險(xiǎn)性很有幫助。 船舶客艙，人員移動(dòng)的住所，對(duì)于其安全性的研究需要不斷的完善，不斷的改進(jìn)，努力做到真正的安全。

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