鄰艙火災(zāi)對彈藥艙溫度特性影響的數(shù)值研究

張玲玲，王 凱，張 宏

(1. 中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 海軍駐鄭州地區(qū)軍事代表室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

彈藥艙是艦船的重要艙室，屬于高危險(xiǎn)性和易爆炸區(qū)域，其安全性關(guān)乎彈藥艙發(fā)生災(zāi)情時(shí)載艦的戰(zhàn)斗力和生命力。艦船火災(zāi)發(fā)生原因復(fù)雜，危害性大，深入了解這類火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)探測設(shè)備在火災(zāi)發(fā)生初期探測報(bào)警，以便在事態(tài)嚴(yán)重之前采取有效應(yīng)對措施[1]。本文采用數(shù)值模擬方法對鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)通過公共壁面導(dǎo)熱對研究彈藥艙艙室內(nèi)的溫度影響進(jìn)行了模擬，得到了在鄰艙不同火源面積，不同火源熱釋放率的情況下，彈藥艙內(nèi)典型時(shí)刻艙室壁面溫度以及艙室內(nèi)各溫度測點(diǎn)的變化特性，從而得到被研究艙室受鄰艙火災(zāi)影響時(shí)的溫度特性規(guī)律，所得結(jié)論對研究彈藥艙內(nèi)的火災(zāi)早期探測與消防應(yīng)對等具有一定的指導(dǎo)意義。

1 艙室模型與火源設(shè)置

彈藥艙艙室為長方體結(jié)構(gòu)，艙室內(nèi)部尺寸為：長12 m，寬 8 m，高 3.5 m，艙室有一個(gè)門開口，環(huán)境溫度為25 ℃。艙室兩側(cè)壁面上部各有6個(gè)對稱分布的風(fēng)口，各風(fēng)口尺寸均為0.3 m×0.25 m，艙門所在的一側(cè)6個(gè)風(fēng)口為進(jìn)風(fēng)口，對面為出風(fēng)口，每個(gè)風(fēng)口的風(fēng)速為2.5 m/s，風(fēng)溫20 ℃。艙室內(nèi)地面上布置有6組彈藥架。艙室結(jié)構(gòu)的三維模型如圖1所示。

鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源設(shè)定為油類火，火源位置為鄰艙靠近所研究艙室的公共壁面中心地面。建模后的鄰艙火災(zāi)模型如圖2所示，鄰艙有一門開口，直接和外界相通。在彈藥艙內(nèi)的通風(fēng)流場穩(wěn)定以后，考察鄰艙發(fā)生火災(zāi)后1 500 s時(shí)間內(nèi)對彈藥艙的影響。

在研究的艙室內(nèi)距地面高3.2 m的平面上，布置有溫度測點(diǎn)（T1～T8）、煙霧測點(diǎn)（S1～S4）和壓力監(jiān)測點(diǎn)（P1～P4），可對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行采集，采樣周期0.2 s，采樣頻率5 Hz。各監(jiān)測點(diǎn)的布置示意圖如圖3所示。假設(shè)鄰艙與彈藥艙之間沒有直接相通的開口，鄰艙火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的煙霧等燃燒產(chǎn)物不會(huì)進(jìn)入被研究艙室內(nèi)，鄰艙火災(zāi)僅通過與被研究艙室的公共壁面導(dǎo)熱作用于被研究艙室，因此本文只研究被研究艙室內(nèi)溫度測點(diǎn)的變化情況。

被研究艙室門關(guān)閉的條件下，將鄰艙火源設(shè)定為油類火，分別考慮火源面積為 0.5 m×0.5 m 和 2.0 m×2.0 m 兩種情況。假設(shè)當(dāng)火源面積為 0.5 m×0.5 m 時(shí)，燃燒穩(wěn)定階段的火源熱釋放率約為300kW，火源發(fā)展規(guī)律為超快速火，燃燒穩(wěn)定階段火源最大熱釋放率的隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。假設(shè)當(dāng)火源面積為2.0 m×2.0 m時(shí)，火源發(fā)展規(guī)律為超快速火，燃燒穩(wěn)定階段的火源熱釋放率約為4.8 MW，火源熱釋放率隨時(shí)間變化曲線如5所示。

2 計(jì)算方法

基于所得結(jié)果的準(zhǔn)確性、全面性等方面考慮，本文研究采用基于大渦模擬技術(shù)的數(shù)值模擬方法為主。受限空間內(nèi)的火災(zāi)熱流場主要為熱浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫流動(dòng)過程，在此類受重力作用的多組分理想氣體的控制方程組的基礎(chǔ)上，為了加快計(jì)算求解速度，根據(jù)火災(zāi)流場特性，需要對控制方程組進(jìn)行一些必要的變形與簡化[2–4]，得到以下主要控制方程組：

連續(xù)性方程

組分方程

動(dòng)量方程

速度散度約束方程

狀態(tài)方程

壓力方程

式中：為氣體密度；為組分i 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為擴(kuò)散系數(shù)；為單位體積內(nèi)組分i的生成率或消耗率；為氣體分子量；為壓力擾動(dòng)；V為空氣流速度矢量；為重力加速度；為組分l 的焓；為氣體溫度；為重力加速度；為輻射熱通量；為粘性應(yīng)力張量；為通用氣體常數(shù)；為旋度張量。

數(shù)值計(jì)算時(shí)，采用大渦模擬技術(shù)對控制方程組進(jìn)行處理，得到大尺度渦旋運(yùn)動(dòng)的控制方程組和小尺度渦旋給出的亞格子尺度模型[5]；燃燒采用單步瞬時(shí)反應(yīng)混合分?jǐn)?shù)模型；熱輻射采用有限體積法進(jìn)行處理[6–10]；艙室壁面導(dǎo)熱使用的是一維導(dǎo)熱模型[4]計(jì)算。對于鄰艙火災(zāi)場景，流場屬于典型的亞音速弱可壓流動(dòng)，計(jì)算過程中，為了對火災(zāi)熱流場進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，使用美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所開發(fā)的場模擬軟件（FDS）來進(jìn)行計(jì)算機(jī)物理建模與仿真。

3 結(jié)果與分析

3.1 最大火源熱釋放率300 kW

當(dāng)火源面積為0.5 m×0.5 m時(shí)，若按假設(shè)火源最大熱釋放速率為300 kW作為模擬火源的輸入條件，則經(jīng)過模擬輸出的火源熱釋放速率結(jié)果如圖6所示。由圖中可以看出，火源按設(shè)定的規(guī)律進(jìn)行燃燒，并且在約60 s時(shí)刻達(dá)到最大值300 kW，之后的熱釋放速率值始終保持在300 kW附近波動(dòng)，說明在鄰艙內(nèi)的火源可以按照設(shè)定的燃燒。

鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，被研究彈藥艙內(nèi)各溫度測點(diǎn)輸出隨時(shí)間的變化如圖7所示。由圖中可以看出，盡管鄰艙發(fā)生火災(zāi)，但是各溫度測點(diǎn)在所模擬的500 s時(shí)間內(nèi)，前350 s幾乎沒有任何變化，除測點(diǎn)T1和T3外，其余測點(diǎn)在約350 s以后才開始小幅度上升，隨著時(shí)間的增加，在1 500 s時(shí)，所有溫度測點(diǎn)處的溫度均達(dá)到了 28 ℃。

鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，各典型時(shí)刻的艙室壁面溫度如圖8所示。由圖中可以看出，隨著時(shí)間的增加，除火源所在房間的壁面外，兩艙室相鄰的共用壁面溫度發(fā)生變化，說明火源產(chǎn)生的熱量已經(jīng)通過共用艙壁傳入所研究的艙室中，而且共用艙壁面上火源所在位置的背面區(qū)域溫度較其他區(qū)域高。隨著時(shí)間增加，被研究艙室靠近與鄰艙公共壁面中心的地面溫度也開始逐漸由所升高，在1 400 s時(shí)壁面最高溫度在70 ℃以上。

鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，各典型時(shí)刻研究艙室中各火災(zāi)探測器所在高度平面溫度云圖如圖9所示。由圖中可以看出，平面上高溫源位于靠近公共壁面中部，隨著時(shí)間的增加，相對高溫的區(qū)域面積由高溫源逐漸向周圍擴(kuò)大，到1 400 s時(shí)刻，平面上溫度稍有升高，但是在靠近送風(fēng)口一側(cè)的通風(fēng)上游區(qū)域，溫度變化相對不明顯，說明鄰艙火災(zāi)時(shí)依靠公共壁面導(dǎo)熱將熱量傳導(dǎo)至研究艙室時(shí)，由于熱源在通風(fēng)下游，所以熱量在被研究艙室內(nèi)擴(kuò)散較慢，尤其是對靠近送風(fēng)口的通風(fēng)上游區(qū)域，使其升溫較為困難。

3.2 最大火源熱釋放率4.8 MW

由于鄰艙火源最大火源熱釋放率300 kW時(shí)，所研究艙室內(nèi)溫度變化幅度較小，因此考慮增大火源，來研究鄰艙發(fā)生較大規(guī)模火災(zāi)時(shí)對研究艙室內(nèi)的溫度影響。假設(shè)鄰艙火源面積為2.0 m×2.0 m，理論熱釋放速率為4.8 MW，經(jīng)過模擬得到的熱釋放速率輸出結(jié)果如圖10所示。由圖中可以看出，火源熱釋放速率在火災(zāi)初期階段開始迅速上升，在約70 s熱釋放率達(dá)到了4.8 MW，隨后在經(jīng)過較大幅度的波動(dòng)后，在約90s時(shí)刻開始迅速降低，100 s以后熱釋放率保持在1.5～2.0 MW之間波動(dòng)，300 s后熱釋放率曲線呈現(xiàn)逐漸緩慢下降的趨勢，到1 500 s時(shí)熱釋放率約1 MW。這是由于火源熱釋放率過大而艙室空間較小不足以提供燃燒需要的空氣，所以不能按設(shè)定的釋放率燃燒，只能在可提供的空氣支持燃燒的范圍內(nèi)保持相對低的熱釋放率。

鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，被研究彈藥艙內(nèi)各溫度測點(diǎn)輸出隨時(shí)間的變化如圖11所示。由圖中可以看出，各測點(diǎn)在約 100 s后開始上升，100～200 s期間測點(diǎn) T6稍高于其他測點(diǎn)，約在900 s后各測點(diǎn)溫度升高趨勢放緩，T2的最高溫度可以升至約36 ℃，遠(yuǎn)離熱源壁面并且靠近通風(fēng)上游一側(cè)的測點(diǎn)T1，T3，T5和T7處的溫度開始在32 ℃～35 ℃之間保持波動(dòng)。

各典型時(shí)刻的艙室壁面溫度如圖12所示。由圖中可以看出，隨著時(shí)間的增加，兩艙室相鄰的共用壁面溫度發(fā)生變化，說明火源產(chǎn)生的熱量已經(jīng)通過共用艙壁傳入所研究的艙室中，而且共用艙壁面上火源所在位置區(qū)域溫度較高，可以超過150 ℃。在彈藥艙鄰艙的火源所在艙室內(nèi)，火災(zāi)發(fā)生100 s以后，在艙室門口附近的艙室壁面溫度較高，由于艙室內(nèi)的空氣不足以支持如此大規(guī)模的火源燃燒，因此火源處有大量未燃燒的燃料氣化產(chǎn)物，在接觸到艙室門口的新鮮空氣時(shí)，符合燃燒條件，因此在此區(qū)域內(nèi)又發(fā)生燃燒，導(dǎo)致艙室門口附近壁面的溫度升高。

各典型時(shí)刻研究艙室中各火災(zāi)探測器所在高度平面溫度云圖如圖13所示。由圖中可以看出，由通風(fēng)下游回風(fēng)口所在的艙室共用壁面溫度高溫將熱量傳到艙室內(nèi)，因此艙室共用壁面附近的區(qū)域溫度較其他區(qū)域的溫度高，在火災(zāi)后期，高溫壁面的影響區(qū)域可以影響到艙室中部區(qū)域，但整個(gè)平面上整體的溫度始終保持在未超過50 ℃。

4 結(jié) 語

利用數(shù)值方法對鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)通過公共壁面導(dǎo)熱對研究艙室內(nèi)的溫度影響進(jìn)行模擬，通過對彈藥艙內(nèi)火災(zāi)溫度參數(shù)結(jié)果進(jìn)行分析得到：

1）鄰艙火災(zāi)的火源面積為0.5 m×0.5 m最大熱釋放率為300 kW時(shí)，火源可以按照設(shè)定規(guī)律燃燒；公共壁面最高溫度在70 ℃以上，研究艙室內(nèi)各測點(diǎn)溫度在1 500 s時(shí)升高至28 ℃以上，熱量在被研究艙室測點(diǎn)所在高度平面擴(kuò)散較慢，尤其是對靠近送風(fēng)口的通風(fēng)上游區(qū)域，使其升溫較為困難。

2）鄰艙火災(zāi)的火源面積為2 m×2 m最大熱釋放率為4.8 MW時(shí)，空間內(nèi)的氧氣不足以支持火源按設(shè)定的釋放率燃燒，只能在可提供的空氣支持燃燒的范圍內(nèi)保持在1～2 MW熱釋放率，并且在火源所在艙室門開口附近發(fā)生了回燃；共用艙壁面上火源所在位置區(qū)域溫度較高，可以超過150 ℃；被研究彈藥艙內(nèi)各測點(diǎn)在約 100 s后開始上升，100～200 s期間測點(diǎn) T6稍高于其他測點(diǎn)，約在900 s后各測點(diǎn)溫度升高趨勢放緩，T2的最高溫度可以升至約36 ℃，遠(yuǎn)離熱源壁面并且靠近通風(fēng)上游一側(cè)的測點(diǎn)T1，T3，T5和T7處的溫度開始在32 ℃～35 ℃之間保持波動(dòng)。

3）通過3次對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，火盆大小為0.5 m×0.5 m，燃料用量 2 500 ml，燃燒時(shí)間為 900 s，溫度測點(diǎn)的最高溫升分別為1.6 ℃，1.2 ℃，1.0 ℃，均沒有引起傳感器報(bào)警，溫度上升趨勢與仿真計(jì)算結(jié)果基本相吻合。伴隨燃料用量及燃燒時(shí)間的增加，被研究艙室溫度測點(diǎn)的溫升也相應(yīng)增加。

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