水噴淋系統(tǒng)對郵輪火災(zāi)特性影響的的數(shù)值模擬

程楓

摘 要：基于近些年郵輪經(jīng)濟快速發(fā)展及其火災(zāi)特殊性的背景，本文利用FDS 對某郵輪主豎區(qū)火災(zāi)進行全尺寸模擬，設(shè)置有無水噴淋系統(tǒng)兩種火災(zāi)場景。通過對比分析模擬結(jié)果，得出兩種工況下監(jiān)測點溫度、煙氣層高度和能見度等火災(zāi)特性參數(shù)的變化規(guī)律。研究表明，水噴淋系統(tǒng)雖然會增加煙氣生成量，但對整體疏散影響不大，而且能有效地抑制煙氣溫度的升高，并能把煙氣控制在頂棚附近，控制火災(zāi)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水噴淋；郵輪火災(zāi)；FDS；數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.178

1 引言

當前郵輪經(jīng)濟己經(jīng)成為世界旅游經(jīng)濟增長最快的領(lǐng)域，郵輪旅游也成為旅游業(yè)的必然趨勢，隨之引起的郵輪火災(zāi)也日漸增多，然而由于其人員眾多、空間狹窄、消防設(shè)施受限等特殊性，一旦發(fā)生火災(zāi)，滅火及救援行動很難展開，所以噴淋系統(tǒng)就顯得至關(guān)重要。然而水噴淋的作用不僅僅起到冷卻的效果，更重要的是對火源的燃燒強度以及煙氣、有毒有害氣體的生成都將產(chǎn)生重要的影響，存在破壞火災(zāi)煙氣層穩(wěn)定以至危害疏散人員的弊端。因此，通過對某大型郵輪進行FDS模擬，從結(jié)果中分析能見度和溫度的發(fā)展規(guī)律以及兩種情況下的煙氣層高度，來驗證設(shè)置噴淋系統(tǒng)的優(yōu)勢和劣勢。

2 郵輪模型建立

2.1 模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

本文根據(jù)某大型郵輪結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)運用PyroSim建模，由于受到計算量與計算速度的限制，依據(jù)《SOLAS公約》中“主豎區(qū)”相關(guān)定義將模型簡化至整艘郵輪的三分之一，同時保證了計算速度與模擬真實性。根據(jù)《郵輪公約（2017）》相關(guān)規(guī)定設(shè)定墻壁、地面、天花板均不可燃。所有門窗均敞開，邊界設(shè)置為開口，模擬開放的外部環(huán)境條件。

郵輪3-6層網(wǎng)格模型長×寬×高=40m×58.0m×16m，7層網(wǎng)格模型長×寬×高=40m×71.0m×3m，8-11層網(wǎng)格模型長×寬×高=40m×80.0m×12m，12 -14層網(wǎng)格模型長×寬×高=40m×58.0m×9m，共劃分了841440個網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.5m×0.5m×0.5m。在火源附近12m×9m×3m的范圍內(nèi)進行網(wǎng)格加密，尺寸為0.1m×0.1m×0.1m.根據(jù)郵輪實際尺寸建立FDS外部物理模型，場景如圖2.1所示：

2.2 火災(zāi)場景設(shè)計

根據(jù)統(tǒng)計資料分析船舶火災(zāi)發(fā)生的頻率顯示：對于民用船只來說，起居處所頻率最高，機艙第二，貨艙第三。根據(jù)這一特點，本文將火源設(shè)置在郵輪第6層某艙室內(nèi)?；鹪闯叽绱笮?.5m×0.5m。模擬時間為420S?；鹪吹淖畲鬅後尫潘俾试O(shè)為2MW，計算可得在燃燒大約413秒時達到峰值，火源熱釋放速率HRR與時間關(guān)系函數(shù)：

根據(jù)可燃物的種類和性質(zhì)的不同，α有不同取值，具體取值依據(jù)見表2.1。

由于郵輪艙室內(nèi)的可燃物主要為床上用品及木制家具，因此本文取α值為0.01172。

2.3 監(jiān)測裝置設(shè)計

由于溫度、能見度、煙氣層均會對人員疏散造成影響，所以本文郵輪模型中主要設(shè)置了溫度探測器、煙氣層高度探測器、能見度探測器。溫度探測器為垂直切片，由于人眼平均高度為1.6m，故設(shè)置了距起火層地面1.6m高的水平能見度切片；煙氣層高度探測器設(shè)置在起火房間門口。

2.4 水噴淋系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)《國際消防安全系統(tǒng)規(guī)則》規(guī)定，船用噴淋系統(tǒng)為濕式水噴淋系統(tǒng)，噴頭采用快速響應(yīng)型，本文模型中選用ZSTYS-20型噴頭，流量特性系數(shù)K=242，響應(yīng)時間指數(shù)（RTI）=28（m.s），動作溫度：68℃，走廊中噴淋頭設(shè)置間距為2.43m，位于走廊中心線，由于郵輪艙室面積小于噴淋頭最大保護面積，故每個房間只設(shè)置一個噴淋頭，位于天花板中心處。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 走廊溫度分析

取距地面1.6m處為監(jiān)測面，如圖3.1（a）——圖3.1（d）所示，可觀察到溫度隨時間的變化規(guī)律：（1）一般認為，人體所能承受溫度為60℃，溫度超過60℃即認為是危險狀態(tài)。而在無水噴淋的工況下，202s時火源所在房間1.6m高度處已達到60℃，420s時達到120℃。（2）在有噴淋工況下，202s時除火源上方外，1.6m高度處溫度均低于40℃，420s時才達到60℃。（3）從以上數(shù)據(jù)分析得知，水噴淋系統(tǒng)啟用后，液滴吸收熱量能有效地降低溫度，減少高溫煙氣對人體的傷害。

3.2 煙氣沉降分析

根據(jù)以往火災(zāi)事故統(tǒng)計，火災(zāi)中大部分人員傷亡是由于吸入過量有害煙氣，火災(zāi)煙氣對人員的危害主要體現(xiàn)在缺氧、中毒及高溫煙氣窒息。在火源房間門口處設(shè)置了煙氣層高度探測器。圖3.2（a）與圖3.2（b）反映了兩種工況下的煙氣層高度變化規(guī)律。

通過對兩種工況下煙氣層高度曲線圖的對比可知：（1）由于水噴淋系統(tǒng)啟動瞬間水流沖開煙氣層，故數(shù)據(jù)會顯示煙氣層高度突然回升（2）在200s前，兩種工況下煙氣層高度變化并無明顯差別，之后水噴淋系統(tǒng)啟動，煙氣層高度出現(xiàn)較大波動（3）由于噴淋系統(tǒng)啟動后會使上部煙氣與下部清潔空氣混合造成煙氣層下降，故其在200s到320s期間降低至1.7m左右，之后逐步回升；而無噴淋系統(tǒng)時，煙氣層高度在波動中逐漸下降，420s時才降至1.7m。

3.3 能見度分析

火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生，會導致能見度降低、人員呼吸困難，心理狀態(tài)緊張，使人員不能以正常行動能力進行逃生和疏散。因此，取人眼特征高度處（通常取值范圍為1.2～2m，本文取1.6m）為監(jiān)測水平面，圖3.3（a）——3.3（d）反映了火災(zāi)發(fā)展過程中能見度在水平面上的變化：

通過觀察兩種工況下1.6m處能見度水平方向的變化示意圖，可知（1）為了保證安全疏散的效果，火場能見度最低不小于5m。對比圖3.3（a） 和圖3.3（b） 可知，無噴淋工況下，在t = 140s 時，1. 6m 高度處火場的能見度降低到5m，而水噴淋作用后，能見度降到5m 的時間提前了約13s。（2）對比圖3.3（c） 和圖3.3（d） 可知，無噴淋工況下，約374s時走廊1.6m高度處能見度降至5m，而水噴淋作用后能見度降至5m約推遲了32s。（3）有噴淋工況下，低能見度區(qū)僅在火源附近。綜上所述，水噴淋作用后，能夠把煙氣控制在火源上方頂棚附近，阻止非火源區(qū)域能見度的急劇下降，為人員逃生創(chuàng)造便利。

4 結(jié)論

本文運用FDS模擬有無水噴淋系統(tǒng)兩種工況下郵輪火災(zāi)的煙氣蔓延和溫度增長情況。 模擬結(jié)果表明水噴淋系統(tǒng)可起到冷卻作用，能有效降低頂棚附近的溫度和煙氣層溫度，與此同時，水噴淋系統(tǒng)啟動會使上部煙氣與下部清潔空氣混合降低能見度，且燃料燃燒不充分，會加劇煙氣和CO的生成量。但水噴淋系統(tǒng)只會對火源附近區(qū)域的煙氣濃度造成明顯影響，而在該區(qū)域內(nèi)高溫危害比煙氣危害要嚴重得多。所以在配合機械通風的情況下，水噴淋系統(tǒng)并不會影響疏散，綜上所述，其利大于弊。

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