大型郵輪高大空間火災(zāi)特性研究

楊萬(wàn)里，宋振森，2

(1. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2. 上海市公共建筑和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

1 引言

據(jù)《郵輪綠皮書(shū)中國(guó)郵輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告 (2017) 》[1]指出， 2016年中國(guó)已成為全球第二大郵輪市場(chǎng)。郵輪空間擁擠，人員密集，可燃物眾多，具有很大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)外多起郵輪火災(zāi)事故給敲響了警鐘。航行在大海上的大型郵輪，一旦發(fā)生火災(zāi)，不僅造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失而且疏散救援難度巨大；而消防系統(tǒng)的誤報(bào)，不但會(huì)消耗有限的消防資源，同樣會(huì)造成大量的財(cái)產(chǎn)損失。研究郵輪的火災(zāi)特性，對(duì)郵輪人員疏散和合理設(shè)置火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，是很有必要的。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)郵輪火災(zāi)基本規(guī)律的研究位置上主要著眼于在郵輪的住艙區(qū)：如李文勇，熊軍研究了機(jī)械排煙對(duì)郵輪火災(zāi)煙氣發(fā)展的影響，優(yōu)化了郵輪排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]；程楓研究了水噴淋系統(tǒng)對(duì)郵輪火災(zāi)的冷卻作用并分析了對(duì)疏散的影響[3]；劉眾掣建立了郵輪住艙火災(zāi)的相似尺度模型[4]。而對(duì)郵輪內(nèi)部高大空間火災(zāi)特性的研究極少。影劇院是郵輪內(nèi)部最常見(jiàn)，最具有代表性的高大空間，具因此本文選取郵輪中以影劇院為核心的一部分典型空間作為研究對(duì)象，使用FDS軟件建立火災(zāi)模型，數(shù)值模擬其火災(zāi)過(guò)程，通過(guò)煙氣蔓延規(guī)律，溫度場(chǎng)，CO濃度三個(gè)方面研究其火災(zāi)特性，希望能為郵輪高大空間火災(zāi)下的人員疏散與郵輪消防設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

2 典型高大空間特征

郵輪內(nèi)部的高大空間是指室內(nèi)凈高8米以上，或跨越3層及以上甲板的起居公共場(chǎng)所。它們具有內(nèi)部空間大，氧氣充足的特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)火勢(shì)發(fā)展迅速。影劇院就是郵輪內(nèi)部高大空間的典型代表。

研究對(duì)象取自某四星級(jí)大型郵輪，該郵輪全長(zhǎng)323.6米，寬度為37.2米，噸位135500噸，整個(gè)郵輪共16層甲板，共計(jì)房間2116間，可承載游客5260人。此郵輪中的影劇院橫跨七，八，九層甲板，如圖1所示。

圖1 某大型郵輪第七層甲板平面圖

影劇院周?chē)h(huán)繞著眾多客艙，通過(guò)狹長(zhǎng)走廊相連。如圖2所示。

圖2 影劇院局部放大圖

3 典型高大空間的FDS模擬

本文采用的模擬軟件為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局(NIST)開(kāi)發(fā)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FDS。該軟件采用數(shù)值差分法解算低馬赫數(shù)流動(dòng)的納維克斯粘性流體方程(N-S方程)來(lái)解決湍流問(wèn)題，其可靠性得到了大量的工程驗(yàn)證。

3.1 火災(zāi)模型

建模時(shí)選取了影劇院所在的主豎區(qū)，大小為64.5m×31.4m×8.25m，共計(jì)三層。其中影劇院的平面尺寸為17.4m×16m，貫通三層影劇院內(nèi)設(shè)200個(gè)座椅，舞臺(tái)及銀幕位于正前方，最底層的兩邊設(shè)置出口連通到走廊，出口高度位2000mm，寬度為400mm，走廊寬度為1200mm；周?chē)鸀樽∨摚鶠闃?biāo)準(zhǔn)雙人間，其尺寸為5800mm×2900mm，艙門(mén)寬900mm，高2000mm。影劇院左側(cè)中部為常年封閉的空調(diào)機(jī)組，本文不予考慮。不額外設(shè)置通風(fēng)口，僅考察通風(fēng)控制下郵輪影劇院的火災(zāi)發(fā)展特性。

圖3 典型空間火災(zāi)模型

3.2 火災(zāi)荷載

火災(zāi)荷載是指房間內(nèi)所有可燃物完全燃燒時(shí)所產(chǎn)生的總熱量。參考文獻(xiàn)[6]中的常見(jiàn)材料熱值表并結(jié)合影劇院的實(shí)際情況，計(jì)算影劇院火災(zāi)荷載的結(jié)果如表1所示。

表1 郵輪影劇院火災(zāi)荷載統(tǒng)計(jì)表

從表中可知郵輪影劇院內(nèi)的可燃物主要是座椅，火災(zāi)荷載為104730.8 MJ，而影劇院的大小為17.4m×16.0m，因此影劇院的火荷載密度q為376.2MJ/m2。

3.3 源設(shè)置

在火源功率的設(shè)置時(shí)考慮完全發(fā)展型火災(zāi)和受水滅火系統(tǒng)控制的火災(zāi)兩種情況?；诨馂?zāi)設(shè)計(jì)原則，首先考慮在可燃物堆積處發(fā)生火災(zāi)的情況，其次考慮對(duì)疏散通道阻塞或容易造成人員心理恐慌的位置[7]。

3.3.1 完全發(fā)展型火災(zāi)

完全發(fā)展型火災(zāi)一般經(jīng)歷初期增長(zhǎng)階段、充分發(fā)展階段和衰減階段等三個(gè)階段，其熱釋放速率隨時(shí)間的變化曲線如圖4示。

圖4 完全發(fā)展型火災(zāi)的熱釋放速率曲線

由圖4分析可知，初期增長(zhǎng)階段，火災(zāi)熱釋放速率按照t2火模型發(fā)展；充分發(fā)展階段，火災(zāi)熱釋放速率達(dá)到最大值且處于穩(wěn)定階段，由下列公式計(jì)算：

(1)

式中：At——房間的總表面積，m2

A0——房間開(kāi)口面積，m2

H0——房間開(kāi)口高度，m

Qp——火災(zāi)熱釋放速率最大值，kW

對(duì)于本文中的郵輪影劇院，則有：

3.3.2 受水滅火系統(tǒng)控制的火災(zāi)

噴水滅火系統(tǒng)有效作用的情況下，火災(zāi)將受到抑制。在消防安全工程學(xué)中，通常通過(guò)火源功率的設(shè)置來(lái)等效噴水系統(tǒng)的作用，且假設(shè)噴水系統(tǒng)啟動(dòng)后熱釋放速率不再增大[8]。則熱釋放速率的最大值為

(2)

其中，Qp——熱釋放速率最大值，kW

t0——火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間，s

t1——噴水系統(tǒng)開(kāi)啟的時(shí)間，s

q(t)——火源功率增長(zhǎng)函數(shù)，kW/s

采用t2火模型，并設(shè)火災(zāi)開(kāi)始時(shí)間為0，則

Qp=α×t2

(3)

α——火災(zāi)增長(zhǎng)因子，kW·s-2

t——噴水系統(tǒng)開(kāi)啟的時(shí)間，s

國(guó)家規(guī)范《GB51251-2017建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[9]根據(jù)式中值的不同，將火災(zāi)分成了四類(lèi)，具體定義見(jiàn)表2。

表2 火災(zāi)類(lèi)別與α值

而郵輪影劇院內(nèi)的可燃物主要是座椅、銀幕、地毯等，因此可以判定影劇院火災(zāi)類(lèi)型為快速火，取α=0.0440 kW/s2，

噴水系統(tǒng)開(kāi)啟的時(shí)間t的設(shè)定則參考文獻(xiàn)[8]中的方法：設(shè)火災(zāi)發(fā)生到被消防系統(tǒng)探測(cè)到的時(shí)間為25s，探測(cè)報(bào)警時(shí)間為30s，定位延遲控制時(shí)間為120s。t=25+30+120=175s，再考慮1.5倍的安全系數(shù)，則熱釋放速率最大值Qp=1.5×α×t2=2.0MW。

3.3.3 工況設(shè)置

影劇院作為大型郵輪的一種典型空間，內(nèi)部空間高大，座椅密布，因此將火源設(shè)置在座椅區(qū)域的中部作為一個(gè)位置工況，且考慮完全發(fā)展火災(zāi)和受控火災(zāi)兩種火災(zāi)發(fā)展模式；而舞臺(tái)側(cè)面的大門(mén)作為影劇院的出口，對(duì)人員疏散意義重大，因此將火源設(shè)置在最靠近這個(gè)出口的第一排座椅作為第二個(gè)位置工況；由于影劇院座椅區(qū)的階梯式布置，后排座椅的高度較大，為研究這個(gè)位置火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律，將第三個(gè)位置工況設(shè)為影劇院最后一排中央。所有工況詳情如表3所示。

表3 工況列表

在整個(gè)影劇院共設(shè)置七個(gè)測(cè)點(diǎn)，包括影劇院中央，各工況火源正上方等位置。每個(gè)測(cè)點(diǎn)從z=2m到z=8m高度方向上每隔1m設(shè)置一個(gè)熱電偶和CO濃度探測(cè)器以監(jiān)測(cè)影劇院的溫度場(chǎng)和CO濃度場(chǎng)；影院中央設(shè)置層分區(qū)設(shè)備獲取煙氣層高度。如圖5所示。

圖5 影劇院火源位置與測(cè)點(diǎn)示意圖

沿一樓走廊縱向每隔2m，距離甲板地面0.5m，1.0m，1.5m，2.0m處布置一個(gè)煙氣速度探測(cè)器以獲取煙氣沿走廊的蔓延速度信息，如圖6所示。

圖6 走廊測(cè)點(diǎn)示意圖

圖7 走廊測(cè)點(diǎn)側(cè)視圖

3.4 網(wǎng)格劃分

(4)

式中：

Q——最大熱釋放速率，kW

ρ∞——環(huán)境空氣密度，kg/m3

cp——環(huán)境空氣比熱，kJ/kg·K

T∞——環(huán)境空氣溫度，K

當(dāng)火源功率為2MW時(shí)，D*=2.6m，此時(shí)網(wǎng)格尺寸應(yīng)介于[0.16m，0.65m]之間；火源功率為10MW時(shí)，D*=5.0m，此時(shí)網(wǎng)格尺寸應(yīng)介于[0.31m，1.25m]之間。本文所有工況中網(wǎng)格尺寸均取為0.5m×0.5m×0.5m。

4 典型高大空間火災(zāi)特性分析

根據(jù)前述參數(shù)建立火災(zāi)模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)從溫度場(chǎng)分布、煙氣蔓延規(guī)律和CO氣體的濃度等三個(gè)方面研究大型郵輪影劇院火災(zāi)發(fā)展規(guī)律。

4.1 郵輪高大空間溫度場(chǎng)特性

郵輪影劇院火災(zāi)溫度場(chǎng)主要受火源熱輻射，熱對(duì)流和氧氣濃度的影響，溫度的發(fā)展過(guò)程主要有上升、平穩(wěn)、下降3個(gè)階段?；鹪锤浇臏囟葓?chǎng)主要受熱輻射影響，在火災(zāi)發(fā)展階段溫度上升速度和最高溫度遠(yuǎn)高于其它區(qū)域；熱煙氣聚積在影劇院高處，且距離火源較遠(yuǎn)，因此影劇院高處的溫度場(chǎng)主要受熱對(duì)流的影響。

3.日志管理功能?？梢远ㄆ谥苯釉诰W(wǎng)絡(luò)上收集多功能一體機(jī)的工作日志數(shù)據(jù)。通過(guò)定制的、用戶(hù)友好的列表和圖表中的選擇參數(shù)，來(lái)生成有意義的追蹤和分析報(bào)告。有利于成本管理和對(duì)所有文檔安全的可追溯性。

4.1.1 工況A

工況A測(cè)點(diǎn)5各高度的溫度曲線如圖8所示。

圖8 工況A測(cè)點(diǎn)5溫度曲線

在火災(zāi)增長(zhǎng)和發(fā)展階段，測(cè)點(diǎn)5的溫度迅速上升，遠(yuǎn)高于其它測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)高度的溫度。這個(gè)階段高度越高，距離火源越遠(yuǎn)，溫度就越低，270s左右最高溫度達(dá)到780℃。而當(dāng)熱煙氣逐漸聚集在頂棚時(shí)，受熱對(duì)流傳熱影響，z=8.0m處的溫度超過(guò)了z=2.0m外的其它位置。

處于空氣中的易燃物，在著火狀況下含氧量低于14%時(shí)，便不足以維持其燃燒[11]。大約600s后，由于氧氣的不足(如下圖所示)，燃燒速率大大降低。

圖9 工況A氧氣濃度切片圖

950s左右溫度進(jìn)入下降階段，此時(shí)各位置溫度均以一種緩慢的速率下降，在800s內(nèi)，各高度上的溫度降到了36℃左右。

工況A測(cè)點(diǎn)1各高度的溫度曲線如圖10所示。

圖10 工況A測(cè)點(diǎn)1溫度曲線

在火災(zāi)增長(zhǎng)和發(fā)展階段，測(cè)點(diǎn)1各高度溫度快速上升，大約280s進(jìn)入平穩(wěn)階段。由于距離火源位置較遠(yuǎn)，因此熱對(duì)流是溫度增大的主要因素，溫度隨高度增加而增加，最高溫度約為215℃。900s時(shí)，進(jìn)入下降階段，與測(cè)點(diǎn)5類(lèi)似的是，所有高度上的溫度緩慢下降，但由于熱煙氣分布的差異，各高度之間存在明顯的溫度差。

對(duì)比測(cè)點(diǎn)5和1的溫度曲線發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)1除z=2.0m外的其它位置有著相似的溫度發(fā)展規(guī)律，且溫度數(shù)值差距不大。而測(cè)點(diǎn)5中z=2.0m位置距離火源太近，火源外焰的劇烈變化使得該處的溫度發(fā)展呈現(xiàn)一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。

由于對(duì)稱(chēng)性，工況A測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2，測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)4的火災(zāi)特性相同；影劇院的階梯式布置雖然使得測(cè)點(diǎn)3、4所在位置的高度大于測(cè)點(diǎn)1、2，但工況A中這種差異對(duì)于溫度發(fā)展的影響很小，測(cè)點(diǎn)3的最高溫度約為220℃。

4.1.2 工況B

工況B測(cè)點(diǎn)6各高度的溫度曲線如圖11所示。

圖11 工況B測(cè)點(diǎn)11溫度曲線

工況B火源位于第一排座椅，高度低于工況A，故z=2m處的溫度明顯低于工況A，最高溫度為620℃，高處的溫度分布則相近。相比于工況A，整體溫度場(chǎng)的高溫中心偏移。

為獲取火源遠(yuǎn)點(diǎn)的溫度特性，故對(duì)工況B測(cè)點(diǎn)4各高度的溫度進(jìn)行考察，如圖12所示。

圖12 工況B測(cè)點(diǎn)4溫度曲線

測(cè)點(diǎn)4為距離火源最遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)，再結(jié)合其它測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)更加證實(shí)了：偏離火源一定距離的位置上的溫度發(fā)展呈現(xiàn)出大致相同的特性。均為260s左右快速增長(zhǎng)至平穩(wěn)階段，在氧氣濃度的消耗上與工況A類(lèi)似，大約580s左右濃度降到14%，如圖13所示。

圖13 工況B氧氣濃度切片圖

850s左右進(jìn)入下降階段，溫度緩慢下降；高度越高溫度越高，但進(jìn)入下降階段以后，由于熱煙氣向外蔓延，這種溫差就越來(lái)越小。距離火源越遠(yuǎn)，整體溫度越低，測(cè)點(diǎn)1(近點(diǎn))的最高溫度為260℃，測(cè)點(diǎn)4(遠(yuǎn)點(diǎn))的最高溫度只有175℃。

4.1.3 工況C

工況C測(cè)點(diǎn)7各高度的溫度曲線如圖14所示。

圖14 工況C測(cè)點(diǎn)7溫度曲線

工況C火源位于最后一排座椅，z=2.0m處的最高溫度為980℃；z=4.0處的最高溫度也達(dá)到了490℃，可見(jiàn)火源位置的抬升使下層的溫度明顯變大，但隨著高度的增大，這種影響越發(fā)不明顯。

工況C測(cè)點(diǎn)1各高度的溫度曲線如圖15所示。

圖15 工況C測(cè)點(diǎn)1溫度曲線

而其它測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)3(近點(diǎn))的最高溫度為300℃，測(cè)點(diǎn)1(遠(yuǎn)點(diǎn))的最高溫度為260℃。距離增大而造成的溫度差距相對(duì)值與工況B相似。氧氣濃度大約560s降到14%，如下圖所示。

圖16 工況C氧氣濃度切片圖

4.1.4 工況D

工況D測(cè)點(diǎn)5各高度的溫度曲線如圖17所示。

圖17 工況D測(cè)點(diǎn)5溫度曲線

工況D火源位置溫度在上升階段與工況A類(lèi)似，280s左右z=2.0m處達(dá)到最高溫度980℃，相比工況A增長(zhǎng)幅度一般，接近工況C的最高溫度。火源附近位置主要受火焰輻射傳熱，距離遠(yuǎn)近的變化對(duì)熱輻射通量影響很大，從而使溫度顯著變化。但由于影劇院內(nèi)氧氣濃度在350s左右就降到了14%，如圖18所示。因此工況D相比其它工況A更早進(jìn)入溫度下降階段。

圖18 工況D氧氣濃度切片圖

工況D測(cè)點(diǎn)1各高度的溫度曲線如圖19所示。

圖19 工況D測(cè)點(diǎn)1溫度曲線

工況D測(cè)點(diǎn)1處最高溫度為385℃，相比工況A同測(cè)點(diǎn)溫度大幅增加。同樣的，由于氧氣的不足，測(cè)點(diǎn)1的溫度也更早進(jìn)入下降階段。

4.1.5 小結(jié)

郵輪高大空間火災(zāi)溫度場(chǎng)有如下特性：

火源附近的溫度遠(yuǎn)高于其它區(qū)域，變化劇烈。不僅火源功率的增大能顯著提高溫度，對(duì)距離的變化也非常敏感：工況A最高溫度為780℃，功率相同，測(cè)點(diǎn)由于火源位置抬升而距離火源更近的工況C最高溫度為980℃；而火源功率大幅增加的工況D同位置最高溫度也接近980℃。

而非臨近火源區(qū)域的溫度發(fā)展則存在相似的特性：溫度曲線形狀相似，溫度數(shù)值隨距離變化一般。工況A測(cè)點(diǎn)1(2)與測(cè)點(diǎn)3(4)最高溫度僅差5℃，工況B火源遠(yuǎn)點(diǎn)最高溫度也達(dá)到了175℃。高度越高，溫度越高。

火源功率的增大顯著提升所有位置的溫度，加快火災(zāi)發(fā)展階段溫度上升速率，工況A，270s左右達(dá)到最高溫度780℃，而相同時(shí)間工況D達(dá)到了970℃。但氧氣的劇烈消耗使得工況D的溫度提前進(jìn)入衰減階段，500s左右溫度就顯著下降。

4.2 大型郵輪煙氣蔓延規(guī)律

4.2.1 煙氣在影劇院的蔓延過(guò)程

火災(zāi)發(fā)生后火源位置處釋放出大量的熱量，使得相鄰流體之間存在溫度梯度和密度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生浮力效應(yīng)。在火羽流中，煙氣屬于輕流體，空氣屬于重流體。郵輪影劇院這種高大空間結(jié)構(gòu)中，由于上空沒(méi)有阻擋物，熱煙氣在浮力作用下，從火源位置迅速向上傳播，撞擊到頂棚時(shí)向四周擴(kuò)散，形成頂棚射流。如圖20所示。

圖20 工況A頂棚射流圖像

由于四周墻壁的限制，熱煙氣鋪滿整個(gè)頂棚后便會(huì)沿著頂棚下表面流動(dòng)，形成煙氣層，自上而下的填充整個(gè)影劇院的中上層空間，如圖23所示。遇到開(kāi)放的出口時(shí)向外蔓延，影響郵輪的其它區(qū)域。

圖21 工況A煙氣下沉圖像

影劇院煙氣層高度隨時(shí)間變化圖像圖22所示。

圖22 工況A影劇院煙氣層高度

影劇院中央的煙氣層高度迅速下降至3.5m左右，但由于頂棚射流，煙氣從四周急速下降，中央位置高處煙氣的流失使得煙氣層高度出現(xiàn)回升。最后煙氣幾乎充滿整個(gè)影劇院，煙氣層下降至臺(tái)階地面。

4.2.2 煙氣在模型整體的蔓延過(guò)程

以工況D為例，研究火災(zāi)煙氣在整個(gè)典型空間的蔓延過(guò)程。從影劇院右側(cè)溢出的火災(zāi)煙氣在狹長(zhǎng)的走廊中迅速蔓延，不到120s煙氣前鋒就蔓延到了走廊的另一側(cè)。同時(shí)受艙室阻擋限制，向兩端擴(kuò)散，逐漸填充經(jīng)過(guò)的艙室。而影劇院左側(cè)的煙氣則有一部分通過(guò)樓梯向上迅速蔓延至典型空間的最高層甲板。

圖23 工況D煙氣走廊蔓延圖像

257s時(shí)，工況D走廊煙氣蔓延速率如圖24所示。

圖24 257s工況D走廊煙氣速率

此時(shí)煙氣前鋒在走廊主要沿頂棚前進(jìn)，部分煙氣進(jìn)入周邊的客艙因此沿縱向距離影劇院門(mén)口越遠(yuǎn)煙氣速率越低。

497s時(shí)，煙氣已經(jīng)幾乎彌漫了整個(gè)模型的一層的絕大部分區(qū)域，二層，三層也有許多區(qū)域受到煙氣的影響。

圖25 497s工況D火災(zāi)煙氣圖像

上升到2層，3層甲板的煙氣在填充了沿途的艙室、廁所等空間后開(kāi)始進(jìn)入走廊并迅速蔓延，可以看出由于浮力羽流導(dǎo)致的煙氣上升使得樓梯連接的最高層甲板相比于其它非火災(zāi)發(fā)生層，最先受到火災(zāi)煙氣的影響。

圖26 1800s工況D火災(zāi)煙氣蔓延圖像

4.2.3 小結(jié)

各工況煙氣蔓延時(shí)間節(jié)點(diǎn)如表4所示。

表4 各工況煙氣蔓延時(shí)間節(jié)點(diǎn)

由此可見(jiàn)火源位置對(duì)影劇院火災(zāi)煙氣蔓延到走廊，影響其它空間的時(shí)間的影響較小，因此隨后在郵輪整體的火災(zāi)煙氣蔓延行為差異也不大；而增大火源功率則會(huì)顯著加快火災(zāi)煙氣蔓延的速度。

4.3 郵輪高大空間CO濃度特性

CO是火災(zāi)煙氣中主要的有毒氣體，是由于不完全燃燒產(chǎn)生的，工程中常用CO濃度作為煙氣危害的判斷標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)SONG Xiao-ya等人的研究[12]，CO濃度超過(guò)500×10-6時(shí)，人員安全將受到嚴(yán)重威脅。

郵輪影劇院的CO濃度發(fā)展主要分為快速上升和緩慢上升兩個(gè)階段：前者是由于火勢(shì)的不斷增大，氧氣不足以支持完全燃燒，從而大量出現(xiàn)CO；后者則是由于氧氣的嚴(yán)重不足，燃燒強(qiáng)度大幅降低，從而導(dǎo)致CO生成速率大為衰減。隨著高度增加，CO濃度輕微增大。

工況A測(cè)點(diǎn)5各高度的CO濃度曲線如圖27所示。

圖27 工況A測(cè)點(diǎn)5的CO濃度曲線

由圖可知，隨著熱釋放速率的增大，工況A大約240s時(shí)氧氣不足以支持完全燃燒，CO濃度進(jìn)入快速上升階段，各高度上的CO濃度很快就達(dá)到了500×10-6，由于接近燃燒反應(yīng)區(qū)，z=2.0m位置CO濃度波動(dòng)較大；1000s左右CO濃度增長(zhǎng)速率變慢，此時(shí)各高度上CO濃度差距不大。影劇院CO濃度切片圖如下所示，發(fā)現(xiàn)各位置CO濃度基本相同，均為3500×10-6左右。

圖28 工況A一氧化碳濃度切片圖

工況B測(cè)點(diǎn)1各高度的CO濃度曲線如圖29所示。

圖29 工況B測(cè)點(diǎn)1的CO濃度曲線

工況B測(cè)點(diǎn)4各高度的CO濃度曲線如圖30所示。

圖30 工況B測(cè)點(diǎn)4的CO濃度曲線

從圖中發(fā)現(xiàn)工況B近點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1)與遠(yuǎn)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)4)的CO濃度曲線差距不明顯。相比工況A，CO濃度變化也不大。

工況C測(cè)點(diǎn)1各高度的CO濃度曲線如圖31所示。

圖31 工況C測(cè)點(diǎn)1的CO濃度曲線

結(jié)合工況A，B，C的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對(duì)于郵輪影劇院中大部分非火源臨近區(qū)域而言，CO濃度與火源和測(cè)點(diǎn)位置的關(guān)系不大：均在800s左右上升到3100ppm，而后增長(zhǎng)速率變得緩慢，最終達(dá)到3500ppm?？捎梅侄尉€性模型近似表示所有這種位置的CO濃度。

而火源臨近位置在快速上升階段CO濃度波動(dòng)較大，緩慢上升階段CO濃度增長(zhǎng)速率的衰減低于前者，但總體CO濃度水平差距不大。

工況D測(cè)點(diǎn)1的CO濃度豎直分布如圖32所示。

圖32 工況D測(cè)點(diǎn)1的CO濃度

增大火源功率，不僅顯著提高了整體的CO濃度，還大大加快了前期CO濃度的增長(zhǎng)速度，但劇烈的氧氣消耗導(dǎo)致整個(gè)影劇院的CO濃度提前進(jìn)入緩慢增長(zhǎng)階段。

5 結(jié)論

本文從一實(shí)際大型豪華郵輪中選取典型空間，建立火災(zāi)模型，使用FDS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)仿真結(jié)果得出如下結(jié)論：

1)郵輪高大空間火源臨近區(qū)域和非火源臨近區(qū)域的溫度和CO濃度發(fā)展特性存在明顯的差異；而非火源臨近區(qū)域之間的溫度和CO濃度則存在著相似的規(guī)律。

2)火源臨近區(qū)域的溫度遠(yuǎn)高于其它區(qū)域，變化劇烈，對(duì)距離的變化非常敏感；非臨近火源區(qū)域的溫度曲線形狀相似，隨距離改變溫度數(shù)值有一定的變化。

3)改變火源位置對(duì)煙氣下沉至門(mén)口的時(shí)間影響不大，從而對(duì)煙氣在郵輪整體的蔓延過(guò)程影響較小。煙氣一旦蔓延至樓梯，則通過(guò)樓梯連接的最高層甲板相比于其它非火災(zāi)發(fā)生層最先受到煙氣的影響。

4)火源臨近區(qū)域的CO濃度在快速上升階段波動(dòng)較大，后續(xù)階段這種波動(dòng)消失且濃度與其它區(qū)域趨于一致；非火源臨近區(qū)域的CO濃度不僅發(fā)展曲線相似，且數(shù)值差距不明顯；可用分段線性模型近似描述郵輪高大空間的CO濃度變化規(guī)律。

5)增大火源功率，會(huì)顯著提升火災(zāi)發(fā)展階段郵輪高大空間的溫度和CO濃度，加快煙氣蔓延速率和CO濃度上升速率，加劇對(duì)人員安全的威脅；但由于氧氣的劇烈消耗，使得溫度和CO濃度提前進(jìn)入衰減階段。