機(jī)械送排口布局對(duì)排煙效果影響的仿真分析

丁磊明，邱金水

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

與陸上建筑不同，艦船因其易燃易爆物品集中、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間封閉等原因，煙氣的蔓延速度和廣度都遠(yuǎn)大于火場(chǎng)本身，極易在艦船內(nèi)部空間快速蔓延，其危害程度也遠(yuǎn)大于火災(zāi)本身。有統(tǒng)計(jì)表明，約85%的受害者死于高溫和有毒煙氣[1]。艦船機(jī)艙是典型的密閉空間，由于輸油管道中存在大量易燃液體，是容易引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)區(qū)域。關(guān)于密閉空間火災(zāi)煙氣特性的研究結(jié)果表明，火源正上方的溫度、速度、壓力和煙氣濃度比周圍的要高，壓力最大值出現(xiàn)在機(jī)艙頂部，機(jī)艙上部的煙氣平均濃度和溫度明顯高于下部的濃度和溫度，指出進(jìn)行封艙滅火需要選擇時(shí)機(jī)，封艙過早或者過遲都會(huì)使火災(zāi)損失增大，此外封艙滅火時(shí)，盡可能不要提前開啟艙門過早進(jìn)入火場(chǎng)，防止產(chǎn)生回燃現(xiàn)象[2-6]。關(guān)于燃料種類、火源尺寸、通風(fēng)速率以及風(fēng)機(jī)配置等對(duì)排煙效果影響的研究結(jié)果表明，機(jī)械排煙系統(tǒng)雖然能提高機(jī)艙火災(zāi)的熱釋放速率，但能有效降低氣體溫度和煙氣濃度，提高能見度，因此火場(chǎng)中機(jī)械排煙系統(tǒng)對(duì)于保護(hù)機(jī)艙內(nèi)設(shè)備，幫助消防人員進(jìn)行消防援救具有重要的意義[7]?？紤]到不合理的送排風(fēng)口設(shè)計(jì)會(huì)使煙氣聚集在艙室某個(gè)角落，發(fā)生擁塞現(xiàn)象，特別針對(duì)6種常用的送排口布局，利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS對(duì)某機(jī)艙火災(zāi)排煙進(jìn)行仿真模擬，探討密閉大空間中送排口的合理布局，以期達(dá)到最佳排煙效果。

1 仿真模型設(shè)置

1.1 仿真工具

湍流大渦模擬算法(Fire Dynamics Simulator，F(xiàn)DS)的基本思想是將湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)分為大尺度渦和小尺度耗散過程，大尺度渦直接計(jì)算，而小尺度的耗散過程在亞網(wǎng)格尺度上模擬。

1.2 物理模型建立

根據(jù)某船機(jī)艙尺寸建立全尺寸模擬仿真平臺(tái)，機(jī)艙長(zhǎng)13.6 m、寬10.4 m、高9 m,見圖1。

圖1 不同形式的送排口布局

均勻排煙工況下，排煙口距頂棚0.4 m，最左側(cè)排煙口中心距左側(cè)艙壁1.8 m，6個(gè)排煙口間距2 m沿著頂棚中軸線依次排開，排煙口尺寸為1.2 m×1.2 m。送風(fēng)口關(guān)于左側(cè)艙壁中軸線對(duì)稱布置，尺寸為2 m×2 m，送風(fēng)口中心距地板高度3 m。

全面排煙工況下排煙口關(guān)于頂棚中軸線對(duì)稱布置，距頂棚0.4 m，距右側(cè)艙壁2 m，尺寸為2 m×2 m；送風(fēng)口關(guān)于左側(cè)艙壁中軸線對(duì)稱布置，尺寸為2 m×2 m，送風(fēng)口中心距地板高度3 m。

雙排煙工況下排煙口距頂棚0.4 m，左側(cè)排煙口中心距左側(cè)艙壁3 m，右側(cè)排煙口中心距右側(cè)艙壁3.6 m；送風(fēng)口位于前后兩側(cè)的艙壁上，每側(cè)艙壁上有2個(gè)送風(fēng)口，送風(fēng)口中心距地板高度3 m，距左右艙壁分別為3 m和3.6 m；送風(fēng)口和排煙口尺寸均為2 m×2 m。

獨(dú)立排送、單排單送和雙排雙送工況下，送風(fēng)口和排風(fēng)口均關(guān)于均按照頂棚中軸線對(duì)稱布置，尺寸均為2 m×2 m。

由于庚烷與柴油的物理性質(zhì)相似，故在FDS中反應(yīng)為庚烷火?；鹪吹臒後尫潘俾?HRR)設(shè)置為6 MW/m2，達(dá)到此熱釋放速率所需時(shí)間設(shè)置為1 s。油池位于地板正中央，深度0.1 m、長(zhǎng)寬均為1 m。2串分別由14個(gè)熱電偶，CO濃度和煙氣層高測(cè)量裝置組成的探測(cè)設(shè)備分別位于沿地板中軸線X方向4.3 m和9.3 m處，分別記為1號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)。其中CO濃度測(cè)量裝置距地板高度1.5 m。

根據(jù)《高層建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》，系統(tǒng)排風(fēng)量選擇120 000、150 000和180 000 m3/h，送風(fēng)量為排煙量的60%。當(dāng)排煙系統(tǒng)開始工作時(shí)，送風(fēng)系統(tǒng)也同時(shí)工作。

1.3 網(wǎng)格尺寸精度分析

在FDS用戶指南中，用D*/?x來評(píng)估網(wǎng)格尺寸是否滿足仿真精度要求。D*是特征火焰直徑，?x是單元格尺寸。McGrattan等建議D*/?x的取值范圍為4～16。根據(jù)取值范圍計(jì)算出單元格尺寸取值范圍為0.10～0.48 m。顯然，單元格尺寸越小，仿真結(jié)果越準(zhǔn)確，但同時(shí)也會(huì)增加大量的時(shí)間。本文計(jì)算500 kW火源功率下，比較0.1-0.4 m 4種不同的單元格尺寸垂直方向上火場(chǎng)溫度分布，見圖2。0.1 m和0.2 m的網(wǎng)格尺寸結(jié)果相似。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸下艙室垂直方向上溫度分布

為了獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果，同時(shí)為了節(jié)約仿真時(shí)間，選擇0.2 m作為本次模擬的網(wǎng)格尺寸。其中D*為

式中:Q為火源熱釋放速率,kW/m2；ρ∞為空氣密度，取1.25 kg/m3；cp空氣比定壓熱容，取1 kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度。

2 仿真結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)給出了火場(chǎng)溫度分布、煙氣層高度和人眼特征高度處CO體積分?jǐn)?shù)，用以討論送排口布局對(duì)排煙效果的影響。

2.1 溫度

不同工況下達(dá)到時(shí)均穩(wěn)態(tài)時(shí)艙室平均溫度沿高度的分布見圖3。

圖3 時(shí)均穩(wěn)態(tài)時(shí)垂直方向上煙氣平均溫度分布的模擬結(jié)果

從1號(hào)熱電偶串溫度分布可以看出，靠近送風(fēng)口側(cè)人眼特征高度1.5 m高度處，下排上送的送排口布置方式比上排上送的布置方式能更好得降低火場(chǎng)溫度。有分析表明，當(dāng)火場(chǎng)溫度超過66 ℃時(shí)，人員便難以忍受，同時(shí)該溫度也會(huì)使火場(chǎng)內(nèi)人員逃生行動(dòng)遲緩。在均勻排煙、全面排煙況下，雖然靠近送風(fēng)口一側(cè)1.5 m處溫度都能維持66 ℃以下，而后隨著溫度隨著高度的增加迅速提高。但是處在送風(fēng)口下風(fēng)向處，溫度隨高度的變化影響較小，各測(cè)點(diǎn)溫度都維持在150 ℃～200 ℃。而在雙排煙工況下，由于兩側(cè)都有送風(fēng)口，故在1.5 m處兩側(cè)溫度均能保持在66 ℃以下，而后溫度隨著高度增高迅速提高。采用上排上送方法排煙時(shí)，機(jī)艙內(nèi)溫度都維持在100 ℃以上。采用獨(dú)立排送方式進(jìn)行通風(fēng)排煙時(shí)，1號(hào)熱電偶串上各測(cè)點(diǎn)溫度變化幅度較大。

從圖3可以看出，隨著高度的增加，溫度一開始變化較為平緩，當(dāng)排煙量為120 000 m3/h時(shí)，測(cè)點(diǎn)高度高于4.5m時(shí)，溫度開始大幅下降。隨著排煙量的增加，溫度開始大幅下降點(diǎn)逐漸升高，排煙量為150 000和180 000 m3/h對(duì)應(yīng)的高度分別為5.5 m和6.5 m。單排單送工況下，靠近出風(fēng)口側(cè)溫度隨高度變化幅度不大，在送風(fēng)口下風(fēng)側(cè)，溫度隨著高度的增加而降低。雙排雙送工況下，由于送排口左右兩側(cè)對(duì)稱，故1號(hào)2號(hào)熱單偶各測(cè)點(diǎn)溫度相當(dāng)，溫度均高于100 ℃且隨著高度的增加而增加。

2.2 CO體積分?jǐn)?shù)

下送上排和上排上送送排口布置，不同工況下1號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)CO濃度值見圖4。

圖4 艙室CO體積分?jǐn)?shù)

由圖4可見，在系統(tǒng)排煙量不變的情況下，送排口布置方式對(duì)火場(chǎng)CO體積分?jǐn)?shù)有著顯著影響。在送風(fēng)口對(duì)稱布置即采用雙排煙方式和雙排雙送方式對(duì)火場(chǎng)進(jìn)行通風(fēng)排煙時(shí)，火場(chǎng)內(nèi)CO氣體可以維持在較低濃度，且1號(hào)、2號(hào)測(cè)點(diǎn)CO的體積分?jǐn)?shù)大致相當(dāng)。在其他送排方式下，1號(hào)、2號(hào)測(cè)點(diǎn)CO的體積分?jǐn)?shù)相差較大?？拷惋L(fēng)口側(cè)的測(cè)點(diǎn)即1號(hào)測(cè)點(diǎn)處CO的體積分?jǐn)?shù)能降低到小于10%，而遠(yuǎn)離送風(fēng)口的2號(hào)測(cè)點(diǎn)，CO濃度大幅增加，達(dá)到30%～50%。送風(fēng)系統(tǒng)引入機(jī)艙的新風(fēng)稀釋了CO體積分?jǐn)?shù)，但同時(shí)新風(fēng)也與引起了機(jī)艙內(nèi)氣流的擾動(dòng)，使得煙氣在下風(fēng)向聚集，這是單送風(fēng)口工況下2號(hào)測(cè)點(diǎn)CO濃度高于1號(hào)測(cè)點(diǎn)的原因。

2.3 煙氣層高度

1號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)煙氣層高度變化見圖5。

圖5 煙氣層高度

由圖5可見，1號(hào)測(cè)點(diǎn)處下送上排的排煙效率高于上排上送的排煙效率。在下送上排的布置方式下，采用均勻排煙和全面排煙方式時(shí)，排煙效率相當(dāng)，且隨著系統(tǒng)排煙量增大，煙氣層高度隨之增高，系統(tǒng)排煙量120 000 m3/h時(shí)，煙氣層高度約為6 m，系統(tǒng)排煙量180 000 m3/h時(shí)，煙氣層高度達(dá)到8.5 m。當(dāng)采用雙排煙方式排煙時(shí)，相較于均勻排煙和全面排煙，煙氣層高度下降較大，且受系統(tǒng)排煙量影響較小。隨著系統(tǒng)排煙量的增加，煙氣層高度從3 m增加到4.1 m。在上排上送的布置方式下，根據(jù)排煙方式不同，1號(hào)測(cè)點(diǎn)煙氣層高度變化較大。當(dāng)采用獨(dú)立方式進(jìn)行排煙時(shí)，煙氣層高度維持在6.5～7.5 m，采用雙排雙送排煙方式時(shí)，煙氣層高度維持在3～4 m。當(dāng)采用單排單送方式進(jìn)行排煙時(shí)，煙氣層下降到一個(gè)較低的高度，約0.7 m左右，這個(gè)高度低于人眼特征高度1.5 m，不利于人員疏散和逃生。值得注意的是，隨著系統(tǒng)排煙量的增加，煙氣層高度呈下降趨勢(shì)。

在2號(hào)測(cè)點(diǎn)處，采用雙排煙方式和雙排雙送方式排煙時(shí)，其煙氣層高度與1號(hào)測(cè)點(diǎn)相當(dāng)，均維持在3～4 m之間。均勻排煙和全面排煙工況下，所測(cè)得的煙氣層高度相較于1號(hào)測(cè)點(diǎn)，煙氣層高度下降了4～5 m，但都維持在人眼特征高度之上，即最低高度大于1.5 m。采用獨(dú)立排送和單排單送方式排煙時(shí)，煙氣層高度隨系統(tǒng)排煙量的增大而減小，其中獨(dú)立排送方式下，煙氣層高度從3.9 m下降到2.4 m；在利用單排單送方式排煙時(shí)，煙氣層高度高度從1.8 m降至1.0 m，當(dāng)系統(tǒng)排煙量為180 000 m3/h時(shí)，煙氣層高度低于人眼特征高度。

2.4 原因分析

不同送排口布置時(shí)艙室平面Y=5.2 m處速度矢量見圖6。

圖6 艙室內(nèi)氣流速度矢量

由圖6可見,當(dāng)送風(fēng)口布置在艙室下部為時(shí)，補(bǔ)風(fēng)氣流能夠加速熱煙氣向上運(yùn)動(dòng)，加上排煙系統(tǒng)能夠加速煙氣排出，降低火場(chǎng)溫度和煙氣體積分?jǐn)?shù)，提高火場(chǎng)煙氣層高度，對(duì)于火災(zāi)煙氣控制有著積極的效果。但是，不管送風(fēng)口布置在艙室上部還是下部，機(jī)械補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)會(huì)影響煙氣熱羽流運(yùn)動(dòng)，造成煙氣層紊亂。

在利用全面排煙方式進(jìn)行排煙時(shí)，從送風(fēng)口吹出的氣流，使得火源上方火羽流的位置發(fā)生了較大的變化，在流入空氣的驅(qū)動(dòng)下，火羽流向2號(hào)測(cè)點(diǎn)方向偏離。從圖6還可以看出，進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)，一邊沿水平方向移動(dòng)一邊迅速下沉，直至被卷入火羽流之中，在到達(dá)右側(cè)墻壁后，由于墻壁的阻擋和在浮力的作用下，火羽流向上運(yùn)動(dòng)至排煙口附近，隨后排煙系統(tǒng)將煙氣排出火場(chǎng)。在單送風(fēng)口的工況下，由于氣流的作用，使得煙氣大部分聚集在遠(yuǎn)離出風(fēng)口一測(cè)，即2號(hào)測(cè)點(diǎn)附近，這與圖3給出的溫度和煙氣層高度分布是一致的。而利用雙排煙方式進(jìn)行排煙時(shí)，由于送風(fēng)口左右對(duì)稱布置且火源位于艙室正中央，故火羽流的位置未發(fā)生明顯變化，保持在火源正上方，向上朝頂棚中心運(yùn)動(dòng)，故此時(shí)1號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)處溫度和煙氣層高度相當(dāng)。

當(dāng)送風(fēng)口在上方且送風(fēng)口向下送風(fēng)時(shí)，在利用獨(dú)立排送和雙排雙送進(jìn)行排煙時(shí)，水平向下運(yùn)動(dòng)的新風(fēng)與周圍的空氣迅速混合，導(dǎo)致火場(chǎng)上部一部分空氣向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)火羽流上升的過程中要克服這部分向下運(yùn)動(dòng)的氣流，從而導(dǎo)致一部分煙氣到達(dá)不了頂棚排煙口附近，大量煙氣聚集在某一高度，導(dǎo)致煙氣層高度較低，排煙系統(tǒng)排煙效率大大降低。在利用雙排雙送方式進(jìn)行排煙時(shí)，由于送風(fēng)口位于頂部水平送風(fēng)，當(dāng)火羽流到達(dá)頂棚后，位于頂棚處的送風(fēng)口將煙氣向下驅(qū)動(dòng)至排煙口附近，排煙效率高于獨(dú)立排送和單排單送工況。

3 結(jié)論

1)在下送上排方式布置下，補(bǔ)風(fēng)氣流能加速熱煙氣向上運(yùn)動(dòng)，加上排煙系統(tǒng)能夠加速煙氣排出，降低火場(chǎng)溫度和煙氣濃度，提高火場(chǎng)煙氣層高度，對(duì)于火災(zāi)煙氣控制有著積極的效果。但是，單送風(fēng)口工況下，經(jīng)送風(fēng)口流出的新風(fēng)使得火羽流位置發(fā)生較大的變化。從而使得在靠近送風(fēng)口一測(cè)溫度能夠得到較好的控制，煙氣層維持在較高的高度。但在遠(yuǎn)離送風(fēng)口處，溫度較高，煙氣層高度有所下降。故在船舶設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮將送風(fēng)方向與人員疏散路徑相反方向布置。

2)在上送上排方式布置下，送風(fēng)口垂直向下送風(fēng)，會(huì)使火場(chǎng)內(nèi)氣流向下運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致部分煙氣不能到達(dá)頂棚排煙口附近，煙氣在較低高度發(fā)生聚集，降低了系統(tǒng)排煙效率。

3)在雙送風(fēng)口工況下，與單送風(fēng)口工況相比，火羽流位置未發(fā)生明顯變化，且火源兩側(cè)溫度和煙氣層高度相差不大。

4)基于有利于人員疏散和方便滅火人員進(jìn)入火場(chǎng)開展滅火作業(yè)考慮，雙排煙方式排煙效果最好。此種方式下，可使火源兩側(cè)人眼特征高度處附近，溫度均低于66 ℃，煙氣層高度也可維持在有利于人員疏散的高度。