有通風(fēng)彈藥艙角落火災(zāi)初期溫度特性

王 凱，姬 翔，霍 巖

(1. 海軍駐鄭州地區(qū)軍事代表室，河南 鄭州，450015；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州，450015；3. 哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150001)

0 引 言

彈藥艙是艦船的重要艙室，屬于高危險性和易爆炸區(qū)域，其安全關(guān)乎艦船的戰(zhàn)斗力和生命力[1]。彈藥艙內(nèi)即使再小的火情也可能引發(fā)災(zāi)難性后果，因此需要火災(zāi)探測設(shè)備能在火災(zāi)發(fā)生初期盡早探測報警，以便在事態(tài)嚴(yán)重之前采取有效應(yīng)對措施?？紤]到艦船火災(zāi)風(fēng)險評估中最不利場景原則[2]，結(jié)合艙室內(nèi)雜物等堆放位置情況，發(fā)生在艙室內(nèi)角落等較隱蔽位置處的雜物被引燃而形成的火災(zāi)屬于火災(zāi)早期探測的典型不利場景。而且彈藥艙室內(nèi)為了保持恒定的溫濕度，通常都配備有通風(fēng)系統(tǒng)，在通風(fēng)影響下，火災(zāi)熱流場也會受到影響，從而呈現(xiàn)特殊的規(guī)律特性，目前對此類流場特性還缺乏深入的認(rèn)識。隨著CFD場模擬技術(shù)和計算機(jī)硬件條件的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬已被廣泛應(yīng)用于艦船艙室火災(zāi)特性研究中[3–5]，有結(jié)果證明數(shù)值模擬可以在降低實驗成本的同時簡便快捷地得到艦船艙室火災(zāi)相關(guān)數(shù)據(jù)[6]。本文利用數(shù)值方法對有通風(fēng)的彈藥艙室內(nèi)角落火災(zāi)熱流場進(jìn)行模擬，對艙室內(nèi)各火災(zāi)溫度探測器處的相關(guān)參數(shù)變化情況進(jìn)行分析，所得結(jié)論對于有通風(fēng)艙室火災(zāi)早期探測有一定的指導(dǎo)意義。

1 艙室模型與計算方法

所研究的彈藥艙室為長方體結(jié)構(gòu)，艙室內(nèi)部空間尺寸為：長12 m，寬8 m，高3.5 m。艙室兩側(cè)上部各有6個對稱分布的風(fēng)口，各風(fēng)口尺寸為0.3 m×0.25 m，風(fēng)口中心距艙室上壁面0.2 m，每個風(fēng)口的風(fēng)量為0.187 5 m3/s。艙室內(nèi)地面上布置有6組彈藥架。艙室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在艙室上壁面以下0.3 m所在高度平面上，設(shè)置有8個點型溫度火災(zāi)探測器，各探測器布置位置如圖2所示。各探測器的采樣頻率為5 Hz，每秒輸出一個采樣平均數(shù)據(jù)。假設(shè)在火災(zāi)過程中，艙室門始終保持關(guān)閉狀態(tài)，艙室沒有自然開口。在通風(fēng)作用下，艙室內(nèi)溫度保持在23 ℃左右。根據(jù)研究艙室內(nèi)的雜物堆放情況，假設(shè)艙室內(nèi)彈藥架周圍存放或遺落的雜物形成小面積角落火災(zāi)，火源面積假定為0.02 m2，火源位于艙室靠近送風(fēng)口一側(cè)的角落附近，如圖3所示。

整個計算空間使用規(guī)格化網(wǎng)格劃分，火源所在區(qū)域和艙室上部熱煙氣流經(jīng)區(qū)域的網(wǎng)格邊長0.025 m，其余區(qū)域的網(wǎng)格邊長0.1 m，計算區(qū)域網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。計算過程利用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）開發(fā)的火災(zāi)模擬軟件FDS（Fire Dynamics Simulator）[7]來完成。在整個流場計算過程中，先計算艙室內(nèi)的通風(fēng)流場，待通風(fēng)流場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后才啟動火源進(jìn)行各火災(zāi)場景的熱流場計算。

火源初期發(fā)展采用αt2火災(zāi)模型[8]，分別考慮火災(zāi)發(fā)展系數(shù)a為0.002 9 kW/s2、0.011 7 kW/s2、0.046 9 kW/s2和0.187 6 kW/s2，以代表不同燃燒物所形成的慢速火、中速火、快速火和超快速火4種典型火災(zāi)初期發(fā)展情況。同時假設(shè)火源的最大熱釋放率為250 kW?；馂?zāi)發(fā)生后200 s內(nèi)的4種火災(zāi)場景熱釋放率增長曲線如圖5所示。

2 結(jié)果與分析

對于所研究的4種火災(zāi)場景，在火災(zāi)發(fā)生200 s內(nèi)，艙室內(nèi)火災(zāi)探測器T1～T8的最高溫度如圖6所示。由圖中可以看出，隨著火災(zāi)增長系數(shù)增大，火源達(dá)到最大熱釋放率耗時縮短，各溫度測點最高溫度值逐漸增大；對于同一種火災(zāi)場景，雖然火源位于艙室內(nèi)角落附近靠近通風(fēng)上游位置，但是通風(fēng)下游的溫度測點T2、T4、T6和T8的最高溫度值明顯高于其對應(yīng)通風(fēng)上游的T1、T3、T5和T7測點，距離火源較近的通風(fēng)下游測點T8是所有溫度測點中溫度值最高的，并且隨著與火源距離的增加，所能達(dá)到的最高溫度值逐漸降低，通風(fēng)下游測點與其所對應(yīng)的上游測點間最大溫差可接近10 ℃以上。

鑒于火災(zāi)中溫度探測器多是以其溫度達(dá)到50 ～70 ℃作為發(fā)出火災(zāi)報警信號的判定閾值，對于所研究的各火災(zāi)場景，測點T1～T8的溫度值首次達(dá)到50 ℃的時間結(jié)果如表1所示。由表中結(jié)果可以看出，在所研究的火災(zāi)發(fā)生后200 s內(nèi)，當(dāng)火災(zāi)增長系數(shù)0.002 9 kW/s2時，測點T1～T8均未能達(dá)到50 ℃，當(dāng)火災(zāi)增長系數(shù)a 為 0.011 7 kW/s2、0.046 9 kW/s2和 0.187 6 kW/s2時，測點T1～T8的溫度值均可以達(dá)到50 ℃以上，并且隨著火災(zāi)增長系數(shù)的增大，各測點溫度值達(dá)到50 ℃所需的時間最大值由177 s逐漸減少至92 s。另外，對于同一種火災(zāi)場景，測點T8最先達(dá)到50 ℃，其次為測點T7和T6，距離火源較遠(yuǎn)的通風(fēng)上游區(qū)域測點T1和T3達(dá)到50 ℃時間最晚。

表1 各火災(zāi)場景中各溫度測點溫度值首次達(dá)到50 ℃的時間Tab. 1 The time when the temperature reached 50℃ for the first time in each fire scenario

對于各火災(zāi)場景，測點T1～T8的溫度隨時間變化如圖7所示，圖中對測點溫度變化初期進(jìn)行放大。由圖中可以看出，由于火源位于艙室靠近通風(fēng)上游的角落處，其正上方最近溫度測點為T7，因此各火災(zāi)場景產(chǎn)生的熱煙氣均使其上部最近測點T7的溫度最先開始上升，通風(fēng)下游測點T8溫度隨后才上升，而測點T8的溫度上升速度明顯高于測點T7，致使T8的溫度值很快超過測點T7而成為所有測點中溫度值最高的測點，這說明盡管火源所在上方的通風(fēng)下游區(qū)域溫度測點溫度值是所有測點中最高的，但是火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣最先影響的還是其正上方距離最近的溫度測點，隨后才在通風(fēng)的影響下使熱煙氣作用于通風(fēng)下游區(qū)域溫度測點。

火災(zāi)增長系數(shù)0.011 7 kW/s2時，火災(zāi)發(fā)生后60 s、90 s和150 s時刻，溫度測點所在高度平面溫度分布如圖8所示?？梢钥闯觯鹪匆鸬慕撌疑媳诿鎱^(qū)域溫度變化影響區(qū)域首先是火源正上方區(qū)域及其通風(fēng)下游區(qū)域，隨著時間增長，高溫區(qū)域在通風(fēng)下游向遠(yuǎn)離火源的區(qū)域逐步擴(kuò)大，遠(yuǎn)離火源的通風(fēng)上游區(qū)域在較長時間內(nèi)受火災(zāi)高溫?zé)釤煔獾挠绊戄^小。

3 結(jié) 語

通過采用數(shù)值方法對一有通風(fēng)的船舶彈藥艙室內(nèi)4種不同火災(zāi)增長系數(shù)形成的不同類型角落火災(zāi)進(jìn)行模擬，通過對200 s內(nèi)的火災(zāi)初期結(jié)果比較分析得到：

1）隨著火災(zāi)增長系數(shù)增大，相同時間內(nèi)各溫度測點所能達(dá)到的最高溫度值逐漸增大，并且位于通風(fēng)下游的溫度測點所能達(dá)到的最高溫度值明顯高于其對應(yīng)通風(fēng)上游的測點，最大溫差可接近10 ℃以上。

2）當(dāng)火災(zāi)增長系數(shù)a大于0.011 7 kW/s2時，艙室上壁面附近各溫度測點值均可以達(dá)到50 ℃以上，并且隨著火災(zāi)增長系數(shù)的增大，各測點溫度值達(dá)到50 ℃以上所需的時間最大值由117 s逐漸減少至92 s，位于火源所在上方的通風(fēng)下游測點是所有測點中最先達(dá)到50 ℃，距離火源較遠(yuǎn)的通風(fēng)上游區(qū)域測點達(dá)到50 ℃所需的時間耗時最長。然而，但是火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣最先影響的還是其正上方距離最近的溫度測點，隨后才在通風(fēng)的影響下使熱煙氣作用于通風(fēng)下游區(qū)域溫度測點。

3）由靠近通風(fēng)上游區(qū)域的艙室角落處火源引起的近艙室上壁面區(qū)域溫度變化影響區(qū)域首先是火源正上方區(qū)域及其通風(fēng)下游區(qū)域，隨著時間增長，高溫區(qū)域在通風(fēng)下游向遠(yuǎn)離火源的區(qū)域逐步擴(kuò)大，高溫區(qū)域主要集中在艙室通風(fēng)下游，遠(yuǎn)離火源的通風(fēng)上游區(qū)域在很長時間內(nèi)難以受到火災(zāi)高溫?zé)釤煔獾挠绊憽?/p>

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