船舶頂部開(kāi)口艙室火災(zāi)煙氣流動(dòng)蔓延特性分析

李東兵，李杰

(1. 海參某訓(xùn)練中心，北京 100841；2. 中國(guó)人民解放軍91388 部隊(duì)，廣東 湛江 524000)

0 引 言

區(qū)別于建筑火災(zāi)，船舶火災(zāi)因其艙室結(jié)構(gòu)和載荷種類及其分布特性等具有獨(dú)特性，一旦發(fā)生火災(zāi)會(huì)對(duì)船舶生命力造成重大威脅[1-3]。此外，船舶火災(zāi)損害管制以“預(yù)防為主，防治結(jié)合”，側(cè)重于艙室火災(zāi)撲救[4]。煙氣作為一種復(fù)雜的熱浮力驅(qū)動(dòng)流，與艙室火災(zāi)發(fā)展蔓延密不可分，是船舶火災(zāi)研究的重要方面[5-6]。本文以船舶艙室火災(zāi)為例，研究頂部開(kāi)口條件下火災(zāi)煙氣的流動(dòng)蔓延特性及其對(duì)上層甲板艙室的影響：1）探討分析頂部開(kāi)口艙室煙氣氣體交換及其影響因子；2）建立頂部開(kāi)口艙室虛點(diǎn)源簡(jiǎn)化模型，對(duì)火災(zāi)煙氣流動(dòng)蔓延規(guī)律進(jìn)行建模分析；3）以實(shí)船火災(zāi)縮尺試驗(yàn)為例對(duì)甲板間煙氣流動(dòng)蔓延規(guī)律模型進(jìn)行CFD 仿真驗(yàn)證。

1 船舶艙室煙氣填充過(guò)程

船舶艙室以頂部開(kāi)口為主，尤其是水線面以下艙室。不同于豎直開(kāi)口艙室，水平開(kāi)口艙室火災(zāi)煙氣在熱浮力驅(qū)動(dòng)力下不斷卷吸冷空氣形成垂直向上煙羽流，并在艙室頂部形成撞擊羽流，少部分煙氣直接沿水平開(kāi)口處垂直溢出形成開(kāi)口溢流，大部分煙氣在卷吸和重力雙重作用下在艙室內(nèi)豎向蔓延，如圖1 所示。

本文主要針對(duì)開(kāi)口處煙氣交換模式及其影響因子進(jìn)行探討分析，并結(jié)合CFD 仿真軟件對(duì)開(kāi)口溢流煙氣進(jìn)行理論分析和驗(yàn)證。

1.1 開(kāi)口氣體交換模式

船舶水平開(kāi)口艙室火災(zāi)煙氣在密度差和煙氣熱浮力等共同作用下進(jìn)行氣體交換，其氣體交換模式復(fù)雜多變，與由密度差引起的壓力差 Pρ和由溫度差引起的壓力差Pex密不可分，開(kāi)口壓差 P[7]為：

圖 1 頂部開(kāi)口艙室火災(zāi)煙氣填充示意圖Fig. 1The schematic diagram of fire smoke fiiling in ship cabin with ceiling openings

在開(kāi)口氣體交換模式影響因子分析的基礎(chǔ)上，引入無(wú)量綱參數(shù) B以表征由密度差和溫度差形成壓力差的比值對(duì)影響因子與氣體交換模式間相互關(guān)系進(jìn)行總結(jié)分析。其中：

由理想氣體狀態(tài)方程得：ρa(bǔ)Ta=ρgTg； Δ ρTg=ρa(bǔ)ΔT 。

因此，式（2）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

由式（3）可知，無(wú)量綱數(shù)B 與火源熱釋放速率，開(kāi)口當(dāng)量直徑和開(kāi)口溫升有關(guān)。當(dāng)B＜0.10 時(shí)，水平開(kāi)口氣體交換由 Pρ決定，Pex可忽略不計(jì)；同理當(dāng)B＞1時(shí)，水平開(kāi)口氣體交換由Pex決定， Pρ可忽略不計(jì)[8-9]。此外，無(wú)量綱數(shù)B 也被用來(lái)作為水平開(kāi)口腔室氣體交換模式的判定依據(jù)，如圖2 所示。

圖 2 無(wú)量綱數(shù)B 與水平開(kāi)口氣體交換模式間的關(guān)系Fig. 2The relationship betweent dimensionless number B and gas exchange pattern in horizontal opening

1.2 水平開(kāi)口煙氣流動(dòng)模型

煙氣質(zhì)量流率和煙氣溫升等特征參數(shù)是開(kāi)口艙室火災(zāi)煙氣蔓延的基礎(chǔ)，是艙室開(kāi)口處氣體交換的主要研究方面。在船舶艙室水平開(kāi)口處煙氣流動(dòng)參數(shù)分析過(guò)程中，通常采用M-Q-H 溫度預(yù)測(cè)方法和鹽水模擬類比方法對(duì)其溫度和質(zhì)量流率進(jìn)行估算[10-11]：

式中： A 為頂部開(kāi)口面積； D為頂部開(kāi)口當(dāng)量直徑；ε為與煙氣溫度相關(guān)的參數(shù)， ε =-2(Ta-Ts)/(Ta+Ts)；h為艙室綜合換熱系數(shù)， h =0.002 9 Q˙1/3；AT為艙室傳熱面積。

2 水平開(kāi)口點(diǎn)源簡(jiǎn)化模型

船舶艙室水平開(kāi)口處熱煙氣以溢流煙氣的形式流出艙外并在開(kāi)口附近形成煙羽流區(qū)域，熱煙氣經(jīng)煙羽流區(qū)域后以火羽流的形式在上層甲板艙室內(nèi)蔓延。如圖3 所示，煙羽流區(qū)域熱煙氣近似為下方一點(diǎn)火源產(chǎn)生，并通過(guò)羽流卷吸作用在臨艙內(nèi)垂向和縱向蔓延。在這一簡(jiǎn)化模型中虛點(diǎn)源在高度 z0處 的羽流質(zhì)量為 m˙0，溫升為ΔTs。因此，由虛點(diǎn)源假設(shè)[12-13]及其相關(guān)理論可知船舶艙室水平開(kāi)口處虛點(diǎn)源火災(zāi)特征參數(shù)為：

圖 3 水平開(kāi)口艙室點(diǎn)源簡(jiǎn)化模型Fig. 3The simplified model of point source in ship cabin with horizontal opening

在水平開(kāi)口近點(diǎn)源模型假設(shè)的基礎(chǔ)上，溢流煙氣以點(diǎn)源火羽流垂直上升的形式在開(kāi)口上方艙室內(nèi)蔓延。溫度作為火災(zāi)預(yù)警和人員撤離的主要依據(jù)，可由式（9）估算得到[5]：

3 理論分析和仿真驗(yàn)證

以船舶水平開(kāi)口艙室結(jié)構(gòu)[14]為例，在開(kāi)口煙氣流動(dòng)蔓延相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合CFD 火災(zāi)仿真軟件對(duì)關(guān)鍵位置溫度變化和質(zhì)量流量等特征參數(shù)進(jìn)行理論估算、仿真分析和對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)而對(duì)開(kāi)口煙氣近點(diǎn)源簡(jiǎn)化模型適用性驗(yàn)證性分析。選用開(kāi)口尺寸和火源直徑為自變量，以小尺度船舶艙室小尺度平臺(tái)為研究對(duì)象開(kāi)展相關(guān)理論研究。如圖4 所示，火源艙室和開(kāi)口上方毗鄰艙室結(jié)構(gòu)尺寸均為1 m×1 m×0.75 m；水平開(kāi)口位于火源艙頂棚中心，開(kāi)口尺寸依次為0.1 m×0.1 m，0.2 m×0.2 m，0.3 m×0.3 m，0.5 m×0.5 m；池火源位于火源艙艙底中心，油池直徑依次為0.1 m，0.2 m，0.3 m。

圖 4 船舶艙室小尺度平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4The structure schematic diagram of ship small scale platform

3.1 小尺度船舶水平開(kāi)口艙室CFD 模型

在頂部開(kāi)口艙室CFD 火災(zāi)仿真過(guò)程中，采用t2火模擬實(shí)船油火，其火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù) α為0.2 kW/s2；艙室網(wǎng)格劃分采用局部加密的方法：火源艙中心0.5 m×0.5 m×0.75 m 區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.01 m×0.01×0.01，其余區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.05 m×0.05 m×0.05 m。因此，參考池火燃燒特性相關(guān)理論[15]，仿真過(guò)程中池火燃燒特性參數(shù)和環(huán)境參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1～表3。

3.2 CFD 仿真分析

在水平開(kāi)口煙氣流動(dòng)蔓延模型簡(jiǎn)化分析的基礎(chǔ)上，本文主要對(duì)油池中心線上溫度變化規(guī)律、開(kāi)口中心線上溫度和壓力變化規(guī)律、水平開(kāi)口煙氣凈流出量以及開(kāi)口上方艙室近火源區(qū)域溫度縱向變化規(guī)律等進(jìn)行測(cè)量分析。因此，仿真過(guò)程中豎直方向上熱電偶間距0.05 m，水平方向熱電偶間距0.02 m，開(kāi)口處壓力探測(cè)器間距0.02 m。

3.3 煙氣流動(dòng)參數(shù)對(duì)比分析

在開(kāi)口煙氣近點(diǎn)源模型和煙氣流動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)煙氣流過(guò)程中的煙氣質(zhì)量流率和煙氣溫升等進(jìn)行估算，并將這一估算結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如表4 所示?？芍?）這一理論計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果與仿真測(cè)量結(jié)果誤差在允許范圍之內(nèi)，因此這一水平開(kāi)口艙室近點(diǎn)源模型可應(yīng)用于艙室火災(zāi)危害性評(píng)估；2）火源艙連通艙室頂棚溫度受火源艙影響顯著，這與火羽流的流動(dòng)和蔓延特性有關(guān)，因此在艙室火災(zāi)危害性分析過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)分析水平開(kāi)口艙室間煙氣的流動(dòng)蔓延特性；3）火源艙水平開(kāi)口尺寸和火源直徑顯著影響臨艙頂棚溫度，因此可通過(guò)艙室溫度變化來(lái)確定著火艙室，為火災(zāi)救援提供參考。

表 1 開(kāi)放空間庚烷燃燒特性參數(shù)Tab. 1The haptane pool fire burning performance parameters in open space

表 2 不同直徑油池火火源特征參數(shù)Tab. 2The fire source charateristic parameters of fire source of different diameter pool fires

表 3 初始環(huán)境參數(shù)值Tab. 3The setting of initial environment parameters

圖 5 仿真過(guò)程中探頭布置圖Fig. 5The layout of measuring pionts in CFD simulation

表 4 多工況點(diǎn)源簡(jiǎn)化模型理論計(jì)算和仿真結(jié)果對(duì)比分析Tab. 4 The theoretical and simulation analysis on point source simplified model under different conditions

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在船舶頂部開(kāi)口艙室煙氣填充中開(kāi)口氣體交換模式和煙氣流動(dòng)模型分析的基礎(chǔ)上，提出了水平開(kāi)口點(diǎn)源簡(jiǎn)化模型對(duì)甲板間煙氣流動(dòng)蔓延規(guī)律進(jìn)行理論探討分析，建立了小尺度艙室火災(zāi)CFD 仿真平臺(tái)，以頂部開(kāi)口和火源尺寸等為變量對(duì)這一理論模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：

1）這一水平開(kāi)口點(diǎn)源簡(jiǎn)化模型可應(yīng)用于火源艙上方艙室火災(zāi)危害性評(píng)估，能夠直觀反映頂部水平開(kāi)口艙室火災(zāi)煙氣流動(dòng)蔓延規(guī)律；

2）火源艙池火直徑和開(kāi)口尺寸是影響艙室火災(zāi)蔓延的主要因素，因此可通過(guò)封艙滅火的手段杜絕艙室間煙氣的蔓延以達(dá)到火災(zāi)撲救的目的；

3）臨艙火災(zāi)特征參數(shù)主要受火源艙池火直徑和開(kāi)口尺寸影響，因此可通過(guò)火災(zāi)探測(cè)裝置初步判定火源位置和火場(chǎng)狀況，為船舶火災(zāi)救治提供參考。

此外，這一理論模型適用性驗(yàn)證是建立在艙室火災(zāi)CFD 仿真的基礎(chǔ)上，并未考慮火源高度、開(kāi)口位置等參數(shù)對(duì)臨艙火災(zāi)特征參數(shù)的影響，因此仍需開(kāi)展相關(guān)課題的實(shí)驗(yàn)和仿真研究，對(duì)船舶頂部開(kāi)口煙氣流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行深入探討分析。