開口艙室內(nèi)細(xì)水霧與油池火相互作用的數(shù)值模擬

趙 博， 劉伯運(yùn)， 任廣魯

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430000)

0 引 言

隨著中國(guó)海軍的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，艦艇部隊(duì)的訓(xùn)練演習(xí)任務(wù)不斷增多，這使得艦船發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)害的可能性大大增加。艦船艙室人員和裝備密集，一旦發(fā)生火災(zāi)不能及時(shí)撲滅將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。傳統(tǒng)的“哈倫”滅火劑雖然滅火效能較好，但是由于其對(duì)臭氧層的嚴(yán)重破壞，已經(jīng)被很多國(guó)家明令禁止。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)具有用水量小、對(duì)火災(zāi)響應(yīng)速度快、對(duì)保護(hù)對(duì)象水漬損害小等特點(diǎn)，在艦船艙室火災(zāi)撲滅中具有良好的應(yīng)用前景。

為提高細(xì)水霧的滅火效能，研究人員做了大量的相關(guān)研究。姚斌等[1]對(duì)細(xì)水霧抑制火災(zāi)的過程和機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧通過汽化吸熱冷卻燃料及氧化劑、體積膨脹隔絕氧氣、吸收熱輻射降低對(duì)燃料的熱回饋等效應(yīng)，達(dá)到控制和熄滅火災(zāi)的目的。楊建[2]在有遮擋物和無(wú)遮擋物條件下，采用火災(zāi)動(dòng)力模擬軟件(Fire Dynamics Simulation， FDS)對(duì)細(xì)水霧與油池火的相互作用過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)操作壓力越大，滅火效果越好，當(dāng)操作壓力超過臨界值時(shí)壓力對(duì)滅火效果的影響不大，滅火效果幾乎相同。張培紅等[3]在隧道模型中進(jìn)行柴油油池火滅火試驗(yàn)，分析通風(fēng)風(fēng)速、工作壓力、排煙模式等因素對(duì)細(xì)水霧滅火的影響。研究發(fā)現(xiàn)：細(xì)水霧+頂部排煙耦合系統(tǒng)的滅火效能最好，增加細(xì)水霧的壓力對(duì)滅火初期的火焰強(qiáng)化燃燒現(xiàn)象具有較好的抑制作用。為研究脈沖細(xì)水霧滅火效果和滅火機(jī)理，李曉康等[4]采用FDS軟件對(duì)連續(xù)和脈沖細(xì)水霧熄滅受限空間內(nèi)油池火的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)：細(xì)水霧對(duì)不同尺寸的油池火均能達(dá)到較好的滅火效果，滅火效率較高，火焰熄滅均發(fā)生在噴頭暫停噴水期間，細(xì)水霧蒸發(fā)隔絕氧氣致使火焰窒息是其滅火的主要機(jī)理。

但是著火艙室并不是封閉空間，往往會(huì)存在門窗等開口，這會(huì)導(dǎo)致在細(xì)水霧滅火過程中仍有大量新鮮空氣涌入，這會(huì)對(duì)細(xì)水霧的滅火效能造成巨大的影響，相關(guān)研究并不多見，所以其滅火機(jī)理值得進(jìn)一步研究。鑒于搭建試驗(yàn)平臺(tái)將耗費(fèi)大量人力和經(jīng)費(fèi)，且受測(cè)量條件的制約，本文利用FDS 進(jìn)行數(shù)值模擬，研究開口艙室內(nèi)細(xì)水霧與油池火的相互作用。

1 數(shù)值模擬模型建立

1.1 模擬軟件介紹

FDS是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于場(chǎng)模擬的火災(zāi)模擬軟件,在火災(zāi)安全等工程領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛。FDS是一個(gè)由計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)分析程序開發(fā)的專門用于研究火災(zāi)煙氣傳播的模型,可以模擬三維空間內(nèi)空氣的溫度、速度和煙氣的流動(dòng)情況等[5]。

在實(shí)際火災(zāi)中，煙氣濃度、溫度、速度等各種火災(zāi)參數(shù)均隨時(shí)間和空間坐標(biāo)的不同而發(fā)生改變，要想準(zhǔn)確描述火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展過程，就必須掌握各個(gè)火災(zāi)參數(shù)在時(shí)空坐標(biāo)的變化規(guī)律，從而為控制火災(zāi)的發(fā)展提供理論依據(jù)。這些參數(shù)主要由質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、能量方程和一些輔助性方程體現(xiàn)。

質(zhì)量守恒方程為

組分守恒方程為

動(dòng)量守恒方程為

能量守恒方程為

理想氣體方程為

(5)

1.2 數(shù)值模擬模型設(shè)置

數(shù)值模擬在如圖1所示的房間中進(jìn)行，艙室的長(zhǎng)和寬均為4.0 m，高為2.4 m，地板、墻壁和頂棚材料均為鋼材。艙室的一側(cè)設(shè)有尺寸為2.0 m×0.9 m的艙門，其對(duì)面墻壁設(shè)有1.0 m×1.2 m的窗戶?；鹪礊檎槿剂?，油池位于艙室中間，高于地面0.3 m，油池大小為0.8 m×0.8 m，熱釋放速率為500 kW/m2，正庚烷的自燃點(diǎn)為204 ℃，所以若火焰溫度低于此溫度時(shí)人為火焰已經(jīng)熄滅。油池上方1 cm、50 cm、100 cm、150 cm、200 cm處布置5個(gè)熱電偶，測(cè)量對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的火焰溫度。油池上方20 cm、70 cm、120 cm、170 cm處布置4個(gè)氧氣濃度記錄點(diǎn)，記錄對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的氧氣濃度。在頂棚下方0.05 m處布置細(xì)水霧噴頭。

圖1 數(shù)值模擬模型

在軟件中,只能使用矩形網(wǎng)格,因此只需考慮網(wǎng)格的大小而不需考慮網(wǎng)格的形狀。在理論上,網(wǎng)格越小,數(shù)值模擬的精度越高,但考慮到當(dāng)前普通計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和計(jì)算代價(jià),需要選擇合理的網(wǎng)格尺寸,獲得可以接受的計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間。此次數(shù)值模擬整體空間網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m，為保證計(jì)算精度，對(duì)火源附近空間劃分較密的網(wǎng)格，尺寸為0.05 m×0.05 m×0.05 m。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 開口流入氣流對(duì)滅火效果的影響

數(shù)值模擬采用的細(xì)水霧系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，其中K因子為流量系數(shù)，由細(xì)水霧噴頭的工藝特性確定。圖2為開口流入氣流速度為0 m/s時(shí)，細(xì)水霧開啟前后火場(chǎng)溫度切片。分析圖片可以看出：火災(zāi)發(fā)生后火場(chǎng)溫度迅速升高，火焰基本豎直向上。熱煙氣受浮力作用，在頂棚下不斷積累，煙氣層逐漸下降，當(dāng)油池火釋放的熱量與艙室損失的熱量相平衡時(shí)，煙氣層厚度基本維持不變。房間內(nèi)氣體分為明顯的上下兩層，上層為熱煙氣，下層為冷空氣。細(xì)水霧開啟后，細(xì)水霧汽化吸收大量的熱量，使得火場(chǎng)溫度迅速下降，火焰高度下降。向下運(yùn)動(dòng)的水蒸氣具有較大的動(dòng)能，使得熱煙氣和冷空氣穩(wěn)定的分層被打破，同時(shí)沖擊火焰，增加了火焰區(qū)的湍流度，火焰周圍出現(xiàn)正庚烷蒸氣燃燒團(tuán)。

表1 細(xì)水霧系統(tǒng)參數(shù)

圖2 開口流入氣流速度為0 m/s，細(xì)水霧開啟前后火場(chǎng)溫度切片

圖3為流入氣流速度為2 m/s時(shí)，細(xì)水霧開啟前后火場(chǎng)溫度切片。與圖2對(duì)比可以看出：開口流入氣流對(duì)火焰影響很大，在流入氣流的影響下，火焰向下風(fēng)區(qū)偏移，溫度場(chǎng)隨之發(fā)生改變。環(huán)境風(fēng)使油池上方溫度變低，而下風(fēng)區(qū)溫度升高。在實(shí)際火災(zāi)發(fā)生時(shí)，流入氣流有可能會(huì)將燃料吹向下風(fēng)區(qū)，從而造成火災(zāi)的蔓延。在流入氣流的影響下，熱煙氣的溫度也有所下降，熱煙氣與冷空氣的分層不穩(wěn)定。細(xì)水霧開啟后火場(chǎng)溫度迅速降低，火焰區(qū)湍流度增加明顯，火焰周圍出現(xiàn)較多正庚烷蒸氣燃燒團(tuán)。

圖3 開口流入氣流速度為2 m/s,細(xì)水霧開啟前后火場(chǎng)溫度切片

圖4為開口流入氣流速度分別為0 m/s和2 m/s時(shí)，油池正上方不同高度處正庚烷火焰溫度隨時(shí)間變化的曲線，分析圖4曲線發(fā)現(xiàn)：細(xì)水霧冷卻火焰的過程可分為3個(gè)階段，分別為火焰溫度迅速下降階段、火焰溫度相對(duì)穩(wěn)定階段和火焰溫度緩慢下降階段。

火焰溫度快速下降階段是由于細(xì)水霧開啟后，細(xì)水霧與火焰溫差非常大，其汽化會(huì)吸收大量的熱量，同時(shí)生成的大量水蒸氣隔絕了氧氣，火焰周圍氧氣含量降低，致使火焰溫度迅速下降；隨著細(xì)水霧釋放量增加，細(xì)水霧汽化吸收的熱量基本與火焰釋放的熱量處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，并且艙室其他空間內(nèi)的氧氣補(bǔ)充到油池周圍，故火焰溫度相對(duì)穩(wěn)定，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)階段時(shí)間非常短暫；隨著細(xì)水霧釋放量進(jìn)一步增加，霧滴與火焰溫差逐漸縮小，同時(shí)艙室內(nèi)的氧氣消耗殆盡，所以溫度下降緩慢至熄滅。

圖4 油池上方不同高度處溫度曲線

為進(jìn)一步分析火焰熄滅的原理，繪制流入氣流速度分別為0 m/s和2 m/s時(shí)火焰上方不同高度處氧氣濃度隨時(shí)間的變化曲線，如圖5所示，圖中縱坐標(biāo)為艙室內(nèi)氧氣與所含氣體的體積比，即物質(zhì)的量比。當(dāng)流入氣流速度為0 m/s時(shí)，火焰上方的氧氣含量隨著燃燒的消耗其含量不斷降低至較低水平；當(dāng)流入氣流速度為2 m/s時(shí)，由于有開口氣流流入，導(dǎo)致火焰上方氧氣含量始終維持在較高水平。對(duì)比分析可知：當(dāng)開口流入氣流速度為0 m/s時(shí)，火焰熄滅是由冷卻吸熱和隔氧窒息共同作用的結(jié)果；當(dāng)入口流入氣流速度為2 m/s時(shí)，由于氧氣含量始終維持在較高水平，故冷卻吸熱是致使火焰熄滅的主要原因。

圖5 油池上方不同高度處氧氣濃度曲線

2.2 細(xì)水霧粒徑對(duì)滅火效果的影響

數(shù)值模擬采用的噴頭的主要參數(shù)如表2所示，其中K因子仍為流量系數(shù)。圖6a)為入口氣流速度為0 m/s時(shí)不同粒徑細(xì)水霧作用下油池上方火焰溫度隨時(shí)間變化的曲線。分析曲線可以發(fā)現(xiàn)：數(shù)值模擬的4種粒徑的細(xì)水霧均可以有效滅火，其中粒徑為50 μm時(shí)滅火效果最好，大約需要40 s可以將火焰熄滅，比其他粒徑的細(xì)水霧節(jié)約時(shí)間25～30 s。這主要是因?yàn)檩^小粒徑的細(xì)水霧更容易汽化，吸收大量熱量，降低火焰溫度，同時(shí)汽化的水蒸氣可以有效隔絕氧氣，達(dá)到迅速熄滅火焰的目的。圖6b)為入口氣流速度為2 m/s時(shí)不同粒徑細(xì)水霧作用下油池上方火焰溫度隨時(shí)間變化的曲線。與圖6a)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)入口氣流速度為2 m/s時(shí)，細(xì)水霧開啟后會(huì)發(fā)生火焰溫度先降低后強(qiáng)化現(xiàn)象，這是由于在流入氣流的作用下，細(xì)水霧的湍流作用得到加強(qiáng)，強(qiáng)化了正庚烷蒸氣與空氣的結(jié)合，對(duì)火焰具有助燃作用。觀察發(fā)現(xiàn)：粒徑為300 μm時(shí)滅火效果最好，大約需要50 s，比其他粒徑的細(xì)水霧節(jié)約時(shí)間20～40 s。這主要是因?yàn)楫?dāng)霧滴直徑較小時(shí)，大量的霧滴會(huì)隨著氣流從開口飄散，導(dǎo)致艙室內(nèi)液滴含量降低；其次有氣流的流入，致使火焰跳動(dòng)明顯，火羽流的動(dòng)能增大，較小的霧滴不能有效地穿透火羽流，對(duì)火焰區(qū)和油池表面進(jìn)行冷卻，故而較小的霧滴滅火效果較差。

表2 不同中位直徑的細(xì)水霧系統(tǒng)參數(shù)

圖6 不同細(xì)水霧粒徑作用下油池表面溫度曲線

3 結(jié) 論

通過對(duì)開口艙室內(nèi)細(xì)水霧與油池火相互作用的數(shù)值模擬，可以得到以下結(jié)論：

(1) 細(xì)水霧熄滅油池火的過程可以分為3個(gè)階段：溫度快速下降階段、溫度相對(duì)穩(wěn)定階段和溫度緩慢下降階段。

(2) 當(dāng)開口無(wú)氣流流入時(shí)，火焰熄滅是由冷卻吸熱和隔氧窒息共同作用的結(jié)果；而入口流入氣流速度為2 m/s時(shí)，由于氧氣含量始終維持較高水平，故冷卻吸熱是致使火焰熄滅的主要原因。

(3) 當(dāng)開口無(wú)氣流流入時(shí)，50 μm等較小粒徑細(xì)水霧具有較好的滅火效果；當(dāng)開口流入氣流速度為2 m/s時(shí)，200～300 μm等較大粒徑細(xì)水霧具有較好的滅火效果。