排煙朝向?qū)γ荛]機(jī)艙火災(zāi)時(shí)風(fēng)機(jī)流量壓力特征及排煙效果影響的計(jì)算模擬

吳廉巍1，謝承利，周炫

(1.海裝駐武漢地區(qū)第二軍事代表室,武漢 430064；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

船舶機(jī)艙密閉性好，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣會(huì)很難排出，而且火災(zāi)中85%以上的死亡都與煙氣有關(guān)[1-2]。相關(guān)的研究有用CFDRC軟件模擬研究船舶機(jī)艙的幾何尺寸對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響[3-4]；對(duì)船舶火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，用CFD-ACE+模擬煙霧在船上空間的傳播過(guò)程，發(fā)現(xiàn)相鄰空間的極端溫度對(duì)傳播的影響很小[5]；用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)程序模擬具有逆流空氣供應(yīng)的火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧的傳播過(guò)程，模擬煙霧的傳播的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[6]；用FDS預(yù)測(cè)多層結(jié)構(gòu)機(jī)艙內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程，發(fā)現(xiàn)用多層結(jié)構(gòu)的船舶機(jī)艙代替單個(gè)艙室，可以提高燃燒強(qiáng)度、頂棚射流的形成和熱流場(chǎng)的輸送速度[7]；基于低馬赫數(shù)熱驅(qū)動(dòng)流動(dòng)模型用Fire Dynamics Simulator(FDS)研究不同頂部開(kāi)口尺寸對(duì)船舶機(jī)艙火災(zāi)特性的影響[8]；使用FDS軟件研究船舶機(jī)艙火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中溫度、氧氣濃度等參數(shù)的變化情況[9]；用數(shù)值模擬方法研究風(fēng)機(jī)機(jī)艙發(fā)生火災(zāi)后的熱流場(chǎng)特性規(guī)律，建立適用于風(fēng)機(jī)機(jī)艙火災(zāi)計(jì)算的數(shù)學(xué)物理模型[10]；用Pyrosim建模對(duì)船舶機(jī)艙火災(zāi)進(jìn)行仿真模擬，研究機(jī)艙火災(zāi)的科學(xué)發(fā)展規(guī)律[11]。

然而，在真實(shí)船舶火災(zāi)過(guò)程中，機(jī)艙密閉條件下排煙和補(bǔ)風(fēng)量可能不完全匹配，加上火風(fēng)壓、排煙口朝向等因素的影響，導(dǎo)致排煙量與設(shè)計(jì)預(yù)期不符，從而影響排煙效果。為此，考慮采用FDS+HVAC系統(tǒng)來(lái)模擬防排煙系統(tǒng)，開(kāi)展更為接近真實(shí)火災(zāi)過(guò)程的數(shù)值模擬分析。國(guó)外已有大量的實(shí)驗(yàn)和模擬驗(yàn)證HVAC系統(tǒng)的可靠性，例如，Hostikka等[12-15]曾用FDS+HVAC預(yù)測(cè)密閉空間內(nèi)火災(zāi)產(chǎn)生的溫度壓力和氣體濃度等，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果曲線均擬合較好。FDS驗(yàn)證使用了來(lái)自PRISME項(xiàng)目和Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)密閉腔室實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)FDS+HVAC進(jìn)行了驗(yàn)證，充分體現(xiàn)了FDS+HVAC系統(tǒng)求解器的可靠性。

1 仿真模型

1.1 模型介紹

參照某大尺度機(jī)艙原型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，建立相應(yīng)的計(jì)算仿真模型。機(jī)艙主要由平臺(tái)、設(shè)備、風(fēng)機(jī)、補(bǔ)/排風(fēng)口組成，整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 機(jī)艙結(jié)構(gòu)示意

機(jī)艙艙室整體尺寸為28 m×22 m×7.6 m(長(zhǎng)×寬×高)。艙室在高2.4 m和4.7 m處設(shè)置兩層格柵，分成三個(gè)平臺(tái)，從上到下依次為二格柵平臺(tái)、一格柵平臺(tái)和鋪板層平臺(tái)。二格柵平臺(tái)處設(shè)置了兩個(gè)艙門(mén)，尺寸均為0.75 m×1.85 m。設(shè)備分布在每層平臺(tái)上，由于設(shè)備對(duì)煙氣蔓延有一定的影響作用，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將其在FDS中用矩形塊代替。機(jī)艙中設(shè)有2個(gè)送風(fēng)風(fēng)機(jī)(型號(hào)為JCLH1100-XN)和3個(gè)排風(fēng)風(fēng)機(jī)(型號(hào)為JCZH1100-XN)，其主要作用是往艙室送風(fēng)和排風(fēng)。對(duì)應(yīng)的補(bǔ)風(fēng)口尺寸為1 m×2 m，設(shè)在鋪板層的頂部，排風(fēng)口尺寸為2 m×2 m，位于二格柵平臺(tái)。排風(fēng)管道和補(bǔ)風(fēng)管道的沿程阻力摩擦系數(shù)均為0.15。同時(shí)機(jī)艙的墻壁和設(shè)備材料均采用標(biāo)準(zhǔn)鋼，其熱物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)鋼的熱物理性質(zhì)

初始環(huán)境溫度為20 ℃。對(duì)于機(jī)艙的防排煙系統(tǒng)則用FDS中的HVAC系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將多個(gè)管道簡(jiǎn)化成一個(gè)具有等效損失系數(shù)的單一管道，并通過(guò)通風(fēng)口(排煙口、補(bǔ)風(fēng)口)連接到FDS計(jì)算區(qū)域內(nèi)。選用頂吸和側(cè)吸兩種排煙朝向見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)艙防排煙系統(tǒng)示意

1.2 機(jī)艙火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

1.2.1 火源類(lèi)型

船舶機(jī)艙中分布各種油液管路，引發(fā)的火災(zāi)中最為常見(jiàn)是油池火災(zāi)，據(jù)挪威船級(jí)社統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，機(jī)艙火災(zāi)事故中的56%是由燃油所引起，機(jī)艙中的燃料一般采用的是柴油[16]。因此選取柴油池火來(lái)模擬船舶機(jī)艙火災(zāi)。但是因?yàn)椴裼褪腔旌衔铮瑸楹?jiǎn)化計(jì)算，在FDS模擬中以正12烷(C12H26)來(lái)代替柴油燃燒火，正12烷的性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 正12烷的性能指標(biāo)[17]

1.2.2 火源熱釋放速率

已有研究表明，機(jī)艙火災(zāi)的火源功率大多數(shù)情況下為6～10 MW[18-19]?？紤]機(jī)艙火災(zāi)的排煙效果，根據(jù)柴油的性能指標(biāo)，確定火源參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 油池參數(shù)

火源熱釋放速率的增長(zhǎng)速率按照t2火的增長(zhǎng)規(guī)律。

Q=αt2

(1)

式中：α是火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)。

根據(jù)α的不同，t2火又分為了慢速型、中速型、快速型、和超快速型。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，柴油池火在火災(zāi)增長(zhǎng)過(guò)程中，時(shí)間平方系數(shù)與超快速火的增長(zhǎng)系數(shù)大致相當(dāng)，模擬選擇超快速型t2火作為火災(zāi)增長(zhǎng)方式，得到火源功率達(dá)到6 MW的時(shí)間為179 s。

設(shè)置的燃料高度為0.2 m，考慮初期火災(zāi)煙氣控制，為方便人員疏散和救火需求，根據(jù)實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置運(yùn)行時(shí)間為600 s。

數(shù)值模擬中火災(zāi)HRR曲線見(jiàn)圖3。

圖3 火災(zāi)HRR曲線

1.2.3 火源及測(cè)點(diǎn)位置

在實(shí)際船舶機(jī)艙火災(zāi)場(chǎng)景中，燃油泄漏的位置存在不確定性。理論上機(jī)艙中的任何位置都有可能發(fā)生燃油泄漏并引發(fā)火災(zāi)。為了簡(jiǎn)化模型，通過(guò)大量的事故案例和調(diào)研分析[20-22]，確定了一處機(jī)艙火災(zāi)易發(fā)區(qū)域，見(jiàn)圖4。并在機(jī)艙A、B、C、D高6 m處設(shè)置測(cè)點(diǎn)，測(cè)量壓力、溫度、能見(jiàn)度、CO體積濃度、煙氣層高度等指標(biāo)。

圖4 火源及測(cè)點(diǎn)位置布置

1.3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

在FDS中，主要采用D*來(lái)判斷網(wǎng)格的質(zhì)量，表達(dá)式如下。

(2)

在6 MW的火源功率下，網(wǎng)格的尺寸滿足D*/δx=10時(shí)，一般可認(rèn)為FDS的模擬結(jié)果是可靠的。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)格尺寸δx的范圍在0.2 m左右。為了充分驗(yàn)證0.2 m網(wǎng)格尺寸的獨(dú)立性。針對(duì)頂吸排煙朝向的火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置3種網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析，網(wǎng)格尺寸分別為0.1、0.2和0.4 m。模擬得到的輸出結(jié)果包括煙氣層高度、能見(jiàn)度、CO體積濃度、排煙管道的總體積流量等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了對(duì)比分析來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性。模擬場(chǎng)景見(jiàn)圖5。

圖5 網(wǎng)格獨(dú)立性計(jì)算模型

選取前400 s的計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)B距離艙門(mén)較近，具有代表性，因此以測(cè)點(diǎn)B處數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析。模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同網(wǎng)絡(luò)尺寸測(cè)點(diǎn)B網(wǎng)格獨(dú)立性分析

從圖6a)可以看出，0.1 m和0.2 m網(wǎng)格尺寸的煙氣層高度曲線差距較小，相對(duì)誤差小于5%，而0.4 m網(wǎng)格尺寸煙氣層高度曲線則與0.1 m網(wǎng)格尺寸差距較大，相對(duì)誤差大于10%。

從圖6b)可以看出，0.1 m和0.2 m網(wǎng)格尺寸的能見(jiàn)度曲線波動(dòng)均較大，但兩者整體趨勢(shì)基本一致。

從圖6c)可以看出，0.4 m網(wǎng)格尺寸結(jié)果曲線明顯位于0.1 m和0.2 m網(wǎng)格尺寸上方，0.1 m和0.2 m的網(wǎng)格尺寸相互重合，更為接近。

從圖6d)可以看出，3種網(wǎng)格尺寸的排煙管總體積流量曲線基本重合，但是在200 s處，0.4 m的排煙管總體積流量明顯高于另外兩種網(wǎng)格尺寸。從4種數(shù)據(jù)的模擬結(jié)果可以確定，0.2 m的網(wǎng)格已經(jīng)滿足模擬精度。考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和模擬時(shí)長(zhǎng)，最終選取0.2 m網(wǎng)格尺寸作為計(jì)算尺寸。

2 結(jié)果分析

2.1 風(fēng)機(jī)流量壓力特征結(jié)果分析

排風(fēng)風(fēng)機(jī)的流量壓力特征見(jiàn)圖7。

圖7 排風(fēng)風(fēng)機(jī)流量壓力特征曲線

從圖7b)可以看出，排風(fēng)風(fēng)機(jī)管道節(jié)點(diǎn)壓力差初始約為950 Pa，之后200 s內(nèi)不斷下降直到穩(wěn)定在800 Pa左右。而管道節(jié)點(diǎn)壓力Δp是通過(guò)p下游-p上游計(jì)算得出，其中排風(fēng)管道的下游壓力對(duì)應(yīng)大氣壓力，而大氣壓力保持恒定，上游壓力對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)壓力，上游節(jié)點(diǎn)壓力和艙室壓力密切相關(guān)。而由于艙室壓力一開(kāi)始呈現(xiàn)極低的負(fù)壓約為-1 000 Pa，之后200 s內(nèi)不斷上升直到穩(wěn)定在-800 Pa左右。艙室壓力的上升會(huì)導(dǎo)致管道節(jié)點(diǎn)壓差下降，如圖7b)前200 s所示，之后隨著艙室壓力穩(wěn)定在-800 Pa左右，導(dǎo)致管道節(jié)點(diǎn)壓力穩(wěn)定在800 Pa左右。

從圖7可以看出，頂吸的排風(fēng)風(fēng)機(jī)管道節(jié)點(diǎn)壓力低于側(cè)吸，使得頂吸的排風(fēng)風(fēng)機(jī)的體積流量高于側(cè)吸，這和排風(fēng)風(fēng)機(jī)壓力流量曲線趨勢(shì)相符合，在管道節(jié)點(diǎn)壓力變小時(shí)，風(fēng)機(jī)體積流量會(huì)增大。在火源增長(zhǎng)期，排風(fēng)風(fēng)機(jī)管道節(jié)點(diǎn)壓力會(huì)不斷減小，直到200 s之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

補(bǔ)風(fēng)風(fēng)機(jī)的流量壓力特征見(jiàn)圖8。

圖8 補(bǔ)風(fēng)風(fēng)機(jī)流量壓力特征

從圖8b)可以看出，補(bǔ)風(fēng)風(fēng)機(jī)管道節(jié)點(diǎn)壓力差初始約為-800 Pa；之后，200 s內(nèi)不斷上升直到穩(wěn)定在-600 Pa左右。同樣管道節(jié)點(diǎn)壓力是通過(guò)計(jì)算得出，其中補(bǔ)風(fēng)管道的下游壓力對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)壓力，上游壓力對(duì)應(yīng)環(huán)境壓力，環(huán)境壓力保持恒定，而下游節(jié)點(diǎn)壓力和艙室壓力密切相關(guān)。艙室壓力一開(kāi)始呈現(xiàn)極低的負(fù)壓約為-1 000 Pa，之后，200 s內(nèi)不斷上升直到穩(wěn)定在-800 Pa左右。艙室壓力的上升會(huì)導(dǎo)致管道節(jié)點(diǎn)壓差下降，如圖8b)中的200 s；之后，隨著艙室壓力穩(wěn)定在約-800 Pa，導(dǎo)致管道節(jié)點(diǎn)壓力穩(wěn)定在約-600 Pa，此處艙室壓力與管道節(jié)點(diǎn)壓力之差是由補(bǔ)風(fēng)管道阻力損耗所造成的。

從圖8可以看出，頂吸的補(bǔ)風(fēng)風(fēng)機(jī)管道節(jié)點(diǎn)壓力略高于側(cè)吸，使得頂吸的補(bǔ)風(fēng)風(fēng)機(jī)的體積流量低于側(cè)吸。這和補(bǔ)風(fēng)風(fēng)機(jī)壓力流量曲線趨勢(shì)相符合。

2.2 煙氣層高度及能見(jiàn)度結(jié)果分析

排煙效果的好壞可以從煙氣層高度和能見(jiàn)度直觀反映出來(lái)，列舉艙門(mén)和角落共兩處典型的煙氣層高度和能見(jiàn)度的模擬結(jié)果見(jiàn)圖9、10。

圖9 煙氣層高度模擬結(jié)果

圖10 能見(jiàn)度模擬結(jié)果

從圖9和圖10中可以看出，相應(yīng)位置的煙氣層高度和能見(jiàn)度曲線整體趨勢(shì)基本一致，在200 s左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，測(cè)點(diǎn)B與測(cè)點(diǎn)D處煙氣層高度與能見(jiàn)度數(shù)據(jù)較接近，說(shuō)明整個(gè)機(jī)艙空間的煙氣層界面相對(duì)穩(wěn)定。縱觀整個(gè)曲線圖，頂吸的煙氣層高度和能見(jiàn)度高于側(cè)吸，造成這種現(xiàn)象的主要原因是頂吸排煙管總體積流量高于側(cè)吸。可見(jiàn)，頂吸的排煙效果要優(yōu)于側(cè)吸。

2.3 艙室溫度結(jié)果分析

從圖11可以明顯看出，不同的排煙朝向?qū)ε撌覝囟扔绊戄^大。B、D位置的測(cè)點(diǎn)，前200 s，頂吸和側(cè)吸的溫度均呈上升趨勢(shì)，200 s后，溫度趨于穩(wěn)態(tài)，頂部排煙的溫度低于側(cè)部排煙溫度約為50～80 ℃。

圖11 艙室溫度模擬結(jié)果

結(jié)合圖9可以看出，頂吸的排煙效果優(yōu)于側(cè)吸，導(dǎo)致更多的熱煙氣被頂部排煙口所排出，因此，頂吸的煙氣層厚度相比側(cè)吸更薄，導(dǎo)致6 m處頂吸熱電偶測(cè)點(diǎn)溫度低于側(cè)吸。

2.4 CO體積濃度結(jié)果分析

CO體積濃度結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 CO體積濃度模擬結(jié)果

在200 s之后，CO體積濃度達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這也與此前各項(xiàng)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)基本一致，原因是當(dāng)火源功率達(dá)到穩(wěn)態(tài)的6 MW時(shí)，排煙補(bǔ)風(fēng)也達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，從而導(dǎo)致各項(xiàng)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。從圖12可以看出，側(cè)吸排煙的CO體積濃度遠(yuǎn)高于頂吸，為兩倍以上。說(shuō)明頂吸有利于排出更多的CO等有毒氣體。

3 結(jié)論

1)通過(guò)分析排風(fēng)風(fēng)機(jī)和補(bǔ)風(fēng)風(fēng)機(jī)流量壓力的特征，發(fā)現(xiàn)排煙和補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的壓力和流量是一組隨排煙朝向變化的動(dòng)態(tài)變化量，與火源的燃燒狀態(tài)也有關(guān)系。因此，單一的處方式設(shè)計(jì)難以滿足實(shí)際火災(zāi)工況的要求，需有針對(duì)性的開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)消防設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)可靠度，消除系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

2)通過(guò)FDS+HVAC系統(tǒng)模擬機(jī)艙防排煙系統(tǒng)，分析風(fēng)機(jī)的流量壓力實(shí)時(shí)特征變化，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)壓力和流量的變化趨勢(shì)符合各自風(fēng)機(jī)的特征曲線，風(fēng)機(jī)管道節(jié)點(diǎn)壓力差與環(huán)境及艙室壓力密切相關(guān)。

3)通過(guò)對(duì)比頂吸和側(cè)吸兩種排煙朝向的煙氣層高度、能見(jiàn)度、CO體積濃度及溫度，發(fā)現(xiàn)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，頂吸的煙氣層高度較高、能見(jiàn)度較大、溫度較低和CO體積濃度較少。相較于側(cè)吸，頂吸的排煙效果更優(yōu)。