基于CFD的艦船甲板火災(zāi)消防安全評(píng)估

陳延偉，王雅文，胡洋，熊言義

(中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一三研究所 鄭州市特種場(chǎng)所火災(zāi)防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450015)

艦船甲板是停放武器裝備的重要場(chǎng)所，裝載了大量燃油，在艦船復(fù)雜載荷環(huán)境下發(fā)生火災(zāi)概率較大。針對(duì)艦船甲板上最可能發(fā)生并且發(fā)生后火災(zāi)危害性較大的油類火，甲板上布置了水成膜泡沫滅火設(shè)施。水成膜泡沫由于具有良好的流動(dòng)及覆蓋等特性，可以通過快速降低油面溫度同時(shí)隔絕空氣來達(dá)到滅火的效果。了解艦船甲板典型油池火火災(zāi)事故下投入水成膜泡沫的消防安全評(píng)估研究具有重大意義。艦船消防安全評(píng)估涉及艦船火災(zāi)理論、消防安全技術(shù)和損管作業(yè)等方面。而艦船甲板風(fēng)速較大，火災(zāi)蔓延區(qū)域廣，損管人員在執(zhí)行消防作業(yè)時(shí)，滅火效能、消防作業(yè)安全范圍與設(shè)備安全距離是需要考慮的主要問題。為此基于CFD數(shù)值模擬技術(shù)，針對(duì)艦船甲板典型火災(zāi)事故下的水成膜泡沫消防滅火場(chǎng)景建立數(shù)值模型，對(duì)有無環(huán)境風(fēng)兩種工況下水成膜泡沫消防滅火效能、損管人員消防作業(yè)安全與設(shè)備安全三方面進(jìn)行消防安全評(píng)估。

1 典型消防滅火場(chǎng)景數(shù)值模型

1.1 滅火模型

熱釋放速率()，是材料燃燒過程中在單位時(shí)間內(nèi)釋放的熱量，kW(kJ/s)。

(1)

FDS中引入了熄滅系數(shù)一值，它是用于計(jì)算噴滅火劑滅火降低的重要參數(shù)，首先引入衰減系數(shù)，噴滅火劑后的總熱釋放速率為

(2)

(3)

為了將熄滅系數(shù)應(yīng)用于FDS模擬，Hamins和McGrattan改進(jìn)為

(4)

(5)

Hamins等的實(shí)驗(yàn)中所建議的_系數(shù)可以應(yīng)用于復(fù)雜的燃料。

1.2 艦船甲板典型滅火場(chǎng)景建立

可燃物選擇航空煤油，火源面積為13 m?；鹪丛鲩L速率取超快速火模型，參考文獻(xiàn)[6]對(duì)燃油熱釋放速率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合上述試驗(yàn)艙內(nèi)真實(shí)點(diǎn)火試驗(yàn)數(shù)據(jù)，仿真過程中航空煤油熱釋放速率設(shè)定如下。=394 s前，火源熱釋放速率以曲線形式增長，394 s后火源熱釋放速率穩(wěn)定在28.99 MW附近，火源熱釋放速率在394 s達(dá)到最大值。在艦船甲板面形成油池火后，投入水成膜泡沫消防滅火手段。滅火工況設(shè)置見表1。

表1 滅火工況設(shè)置

利用FDS軟件建立尺寸為252.3 m×45 m×12.8 m的艦艇甲板，在甲板右舷正方向上87 m和133 m位置處分別布置2個(gè)障礙物，油池火火源布置在=82 m、=27.5 m處，火災(zāi)發(fā)生位置定義在=80 m處，火焰沿著軸正方向蔓延。除了甲板面以外均設(shè)置為開放邊界，見圖1。

圖1 艦船甲板火災(zāi)三維幾何模型

水成膜泡沫滅火設(shè)施噴頭壓力為0.4 MPa，單個(gè)噴頭流量為10.1 m/h，保護(hù)半徑為3.5 m，單位面積噴淋強(qiáng)度為3.4 L/(min·m)?？紤]最危險(xiǎn)情況，火源在達(dá)到最大熱釋放速率后繼續(xù)燃燒60 s，再啟動(dòng)滅火系統(tǒng)。另外，距離火源較遠(yuǎn)的噴頭對(duì)火源燃燒影響較小，因此，為降低計(jì)算成本，僅選取靠近火源的9個(gè)噴頭啟動(dòng)，見圖2中方框所示。

圖2 艦船甲板水成膜泡沫噴頭布置示意

2 水成膜滅火系統(tǒng)滅火效能分析

艦船甲板為開放空間，煙氣不會(huì)在區(qū)域內(nèi)積聚，煙氣高度、能見度危險(xiǎn)程度較小，故主要針對(duì)投入消防手段后的煙氣層溫度、滅火時(shí)間等特征參數(shù)進(jìn)行滅火效能評(píng)估分析。

根據(jù)《建設(shè)工程性能化消防設(shè)計(jì)與評(píng)估導(dǎo)則》中的相關(guān)規(guī)定，把煙氣層以下空間內(nèi)溫度臨界標(biāo)準(zhǔn)判定值設(shè)定為60 ℃。人體在60 ℃對(duì)流熱環(huán)境中能夠承受一段時(shí)間，在這個(gè)溫度內(nèi)是疏散的最佳時(shí)間段。因此，一般將1.8 m高度的溫度達(dá)到60 ℃視為危險(xiǎn)狀態(tài)。

2.1 無風(fēng)條件下滅火效能評(píng)估分析

火災(zāi)發(fā)展過程在經(jīng)歷火災(zāi)初期、火災(zāi)快速發(fā)展階段后在394 s時(shí)熱釋放速率達(dá)到最大，火焰最大溫度達(dá)到620 ℃，煙氣層溫度達(dá)到260 ℃左右。之后火災(zāi)發(fā)展處于穩(wěn)定燃燒階段，在最大熱釋放速率處繼續(xù)燃燒60 s，即火災(zāi)發(fā)展的454 s時(shí)刻，啟動(dòng)水成膜泡沫滅火系統(tǒng)。無風(fēng)條件下水成膜泡沫滅火場(chǎng)景在=190，394、690、746、和749 s時(shí)刻位于=26 m的剖面溫度分布見圖3。

圖3 無風(fēng)條件下水成膜泡沫滅火不同時(shí)刻的溫度分布

由圖3可見，水成膜泡沫滅火系統(tǒng)啟動(dòng)后，火源熱釋放速率降低，區(qū)域內(nèi)的溫度開始下降，滅火系統(tǒng)啟動(dòng)后236 s(總時(shí)刻=690 s)，火源附近溫度降至120 ℃左右；在滅火系統(tǒng)啟動(dòng)后292 s時(shí)(總時(shí)刻=746 s)，火焰被完全撲滅，隨后3 s內(nèi)火焰區(qū)溫度迅速降至常溫。說明水成膜泡沫滅火系統(tǒng)在無風(fēng)情況下滿足艦船甲板上油類火滅火需求。

2.2 有風(fēng)條件下滅火效能評(píng)估分析

發(fā)生火災(zāi)后，火源附近溫度開始上升，190 s時(shí)煙氣層溫度約為170 ℃。經(jīng)歷火災(zāi)初期階段、火災(zāi)快速發(fā)展階段后，394 s時(shí)刻熱釋放速率達(dá)到最大，煙氣層溫度為250 ℃左右，火焰最大溫度達(dá)到620 ℃。隨后在最大熱釋放速率處穩(wěn)定燃燒60 s，454 s時(shí)刻水成膜滅火系統(tǒng)啟動(dòng)。有風(fēng)條件下水成膜滅火場(chǎng)景在=190、394、690、746及749 s時(shí)=26 m的溫度分布見圖4。

圖4 有風(fēng)條件下水成膜泡沫滅火不同時(shí)刻的溫度分布

由圖4可以看出，甲板有環(huán)境風(fēng)時(shí)，火焰向下風(fēng)向被拉長，并且前半截貼近地面，隨后火焰按一定角度斜向右上方蔓延，抬離地面。相比于無風(fēng)狀態(tài)，火災(zāi)形成的高溫區(qū)域在下風(fēng)向有較大范圍的蔓延，環(huán)境風(fēng)將極大增加油池火火災(zāi)危險(xiǎn)性，下風(fēng)向高溫危險(xiǎn)區(qū)域范圍大幅度增加。水成膜泡沫滅火系統(tǒng)啟動(dòng)后，火源熱釋放速率降低，區(qū)域內(nèi)的溫度開始降低，滅火系統(tǒng)啟動(dòng)后的236 s時(shí)刻(總時(shí)刻=690 s)，火源附近溫度降至120 ℃左右，在滅火系統(tǒng)啟動(dòng)后326 s時(shí)(總時(shí)刻=780 s)，明火被撲滅，區(qū)域內(nèi)的溫度迅速降至常溫。說明水成膜滅火系統(tǒng)在有風(fēng)情況下滿足艦船甲板上油類火災(zāi)的滅火要求。

2.3 無風(fēng)與有風(fēng)情況下滅火效能對(duì)比

對(duì)于艦船甲板內(nèi)發(fā)生可能性較大的油類火，通過數(shù)值仿真對(duì)水成膜泡沫滅火系統(tǒng)開展消防評(píng)估分析。分析結(jié)果表明，對(duì)于大尺寸的油池火，使用水成膜泡沫滅火系統(tǒng)需要大約5 min左右撲滅。相較于無風(fēng)情況，環(huán)境風(fēng)條件下高溫危險(xiǎn)區(qū)域下風(fēng)向范圍大幅度增加，滅火時(shí)間也有所延長，艦船甲板各工況下的滅火時(shí)間見表2。

表2 艦船甲板火災(zāi)場(chǎng)景滅火時(shí)間

3 損管人員消防作業(yè)安全評(píng)估

3.1 損管人員消防作業(yè)安全指標(biāo)與判據(jù)

1)接觸指標(biāo)——煙氣溫度。根據(jù)澳大利亞《生命安全標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，穿防護(hù)服的損管人員一般可忍耐的煙氣溫度為：煙氣層高度距地面1.5 m以上空間的平均煙氣溫度不應(yīng)超過150 ℃，因此選取煙氣溫度150 ℃作為安全判據(jù)。

2)非接觸指標(biāo)——輻射熱通量。當(dāng)損管人員處于煙氣之外時(shí)，如露天甲板火災(zāi)、艙室火災(zāi)的冷空氣區(qū)，對(duì)損管人員造成傷害的主要是熱輻射，強(qiáng)烈的熱輻射會(huì)造成一定程度上的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失等，人員和設(shè)備遭受的損害程度取決于其所接受的熱輻射和暴露時(shí)間。當(dāng)以輻射熱通量為指標(biāo)時(shí)，人體接受的熱通量超過4 kW/m時(shí)開始受到損傷，因此選取輻射熱通量4 kW/m作為損管人員消防作業(yè)安全判據(jù)。

綜上所述，當(dāng)損管人員進(jìn)入熱煙氣區(qū)之中時(shí)采用接觸指標(biāo)，即煙氣溫度作為安全指標(biāo)；當(dāng)損管人員進(jìn)入熱煙氣區(qū)以外時(shí)采用非接觸指標(biāo)，即輻射熱通量作為安全指標(biāo)。相關(guān)指標(biāo)及判據(jù)見表3。

表3 損管人員作業(yè)安全指標(biāo)及判據(jù)

根據(jù)輻射熱損失公式，可計(jì)算得到人員損傷的危險(xiǎn)區(qū)域半徑。

(6)

3.2 無風(fēng)條件下?lián)p管人員消防作業(yè)安全評(píng)估

無風(fēng)條件下煙氣溫度與輻射熱通量危害區(qū)域呈圓形，見圖5。

圖5 無風(fēng)條件下煙氣溫度與輻射熱通量危害區(qū)域

1)接觸指標(biāo)?；馂?zāi)發(fā)生過程中，當(dāng)1.5 m以上空間的區(qū)域平均溫度達(dá)到150 ℃時(shí)，開始對(duì)損管人員造成傷害，當(dāng)熱釋放速率達(dá)到最大時(shí)(總時(shí)刻=394 s)，煙氣溫度危險(xiǎn)區(qū)域面積最大，此時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域最大直徑約為4 m。

2)非接觸指標(biāo)。根據(jù)火焰點(diǎn)源輻射模型，可根據(jù)最大輻射熱損失計(jì)算輻射危險(xiǎn)區(qū)域半徑。該火源的輻射熱損失隨時(shí)間的變化見圖6，最大輻射熱損失為4 129 kW，根據(jù)式(6)，計(jì)算得到危險(xiǎn)區(qū)域半徑應(yīng)為=9.1 m。

圖6 艦船甲板水成膜泡沫滅火場(chǎng)景輻射總熱損時(shí)間分布

綜上所述，損管人員在距離火源中心9.1 m外可以開展損管作業(yè)。

3.3 有風(fēng)條件下?lián)p管人員消防作業(yè)安全評(píng)估

有風(fēng)條件下煙氣溫度與輻射熱通量危害區(qū)域約呈長條形，見圖7。

圖7 有風(fēng)條件下煙氣溫度與輻射熱通量危害區(qū)域

1)接觸指標(biāo)?；馂?zāi)發(fā)生過程中，當(dāng)1.5 m以上空間的區(qū)域平均溫度達(dá)到150 ℃時(shí)，開始對(duì)損管人員造成傷害，當(dāng)熱釋放速率達(dá)到最大時(shí)(總時(shí)刻=394 s)，煙氣溫度危險(xiǎn)區(qū)域面積最大，此時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域主要位于火源下風(fēng)向，危險(xiǎn)區(qū)域最長約為15 m，寬約為4.7 m。

2)非接觸指標(biāo)。在454 s時(shí)刻，火源以最大熱釋放速率穩(wěn)定燃燒了60 s，此時(shí)輻射熱危險(xiǎn)區(qū)域最大，超過4 kW/m臨界值的危險(xiǎn)區(qū)域達(dá)到最大，危險(xiǎn)區(qū)域最長約為20 m，寬約為7 m。

綜上所述，損管人員應(yīng)在火源上風(fēng)向開展安全損管工作，若處于火源下風(fēng)向，則與火源中心的距離應(yīng)保持在20 m以上。

3.4 兩種方式下消防作業(yè)安全半徑對(duì)比

通過對(duì)艦船甲板各火災(zāi)工況下1.8 m高處的溫度以及表面輻射熱通量的分析，對(duì)損管人員危害較大的因素為火焰熱輻射，對(duì)于火源熱釋放速率較大的油池火，在無風(fēng)條件下?lián)p管人員作業(yè)熱輻射危險(xiǎn)半徑大于9 m；在有風(fēng)條件下，損管人員作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在火源下風(fēng)向，危險(xiǎn)區(qū)域最大長度達(dá)到20 m。艦船甲板各工況下?lián)p管人員危險(xiǎn)區(qū)域半徑見表4。

表4 艦船甲板損管人員作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域半徑

4 艦船甲板設(shè)備消防安全評(píng)估

4.1 艦船設(shè)備安全指標(biāo)與判據(jù)

火災(zāi)中電子設(shè)備相對(duì)其他設(shè)備來說更容易損壞，因此選用電子設(shè)備的安全指標(biāo)作為設(shè)備的安全指標(biāo)。根據(jù)《美國能源部消防手冊(cè)》，火災(zāi)對(duì)電子設(shè)備影響最大的是熱損傷，也是設(shè)備安全考慮的主要因素。當(dāng)設(shè)備處于熱煙氣中，采用接觸指標(biāo)，即煙氣溫度作為安全指標(biāo)；當(dāng)設(shè)備處于熱煙氣區(qū)以外時(shí)采用非接觸指標(biāo)，即輻射熱通量作為安全指標(biāo)。

1)接觸指標(biāo)——煙氣溫度。當(dāng)電子設(shè)備處于熱煙氣中時(shí)，煙氣的高溫會(huì)對(duì)設(shè)備造成熱損傷，電子設(shè)備熱損傷判據(jù)見表5。電子設(shè)備永久損傷將對(duì)艦船任務(wù)能力造成嚴(yán)重影響，因此選用150 ℃作為電子設(shè)備的安全判據(jù)。這一判據(jù)已在美軍艦艇消防安全評(píng)估得到了應(yīng)用。

表5 電子設(shè)備熱損傷判據(jù)

2)非接觸指標(biāo)——輻射熱通量。設(shè)備處于煙氣之外時(shí)，如露天甲板、艙室的冷空氣區(qū)，對(duì)設(shè)備造成損害的主要是輻射熱。以輻射熱通量為指標(biāo)，設(shè)備接受的熱通量超過10 kW/m時(shí)開始受到損傷，因此選取輻射熱通量10 kW/m作為艦船設(shè)備安全判據(jù)。

綜上所述，當(dāng)設(shè)備處于熱煙氣區(qū)之中時(shí)采用接觸指標(biāo)，即煙氣溫度作為安全指標(biāo)；當(dāng)設(shè)備處于熱煙氣區(qū)以外時(shí)采用非接觸指標(biāo)，即輻射熱通量作為安全指標(biāo)。相關(guān)指標(biāo)及判據(jù)見表6。

表6 設(shè)備安全指標(biāo)及判據(jù)

根據(jù)輻射熱損失公式，可計(jì)算得到火災(zāi)中設(shè)備損傷的危險(xiǎn)區(qū)域半徑：

(7)

4.2 無風(fēng)條件下艦船甲板設(shè)備安全評(píng)估

1)接觸指標(biāo)。火災(zāi)發(fā)生過程中，當(dāng)物體溫度達(dá)到150 ℃時(shí)，開始損傷設(shè)備，當(dāng)熱釋放速率達(dá)到最大時(shí)(總時(shí)刻=394 s)，煙氣溫度危險(xiǎn)區(qū)域面積最大，此時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域最大直徑約為4.9 m。

2)非接觸指標(biāo)。根據(jù)火焰點(diǎn)源輻射模型，可根據(jù)最大輻射熱損失計(jì)算輻射危險(xiǎn)區(qū)域半徑。根據(jù)圖6，由該火源的輻射熱損失隨時(shí)間的變化得到最大輻射熱損失為4 129 kW，根據(jù)式(7)計(jì)算得到危險(xiǎn)區(qū)域半徑應(yīng)為=5.7 m。

綜上所述，該區(qū)域內(nèi)的設(shè)備應(yīng)放置在危險(xiǎn)區(qū)域半徑5.7 m以外的位置較為安全。

4.3 有風(fēng)條件下艦船甲板設(shè)備安全評(píng)估

1)接觸指標(biāo)?；馂?zāi)發(fā)生過程中，當(dāng)物體溫度達(dá)到150 ℃時(shí)，開始對(duì)設(shè)備造成損傷，當(dāng)熱釋放速率達(dá)到最大時(shí)(=394 s)，煙氣溫度危險(xiǎn)區(qū)域面積最大，此時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域主要為火源下風(fēng)向，長約為14.8 m，寬約為4.9 m。

2)非接觸指標(biāo)。在454 s時(shí)，火源以最大熱釋放速率穩(wěn)定燃燒了60 s，此時(shí)熱輻射危險(xiǎn)區(qū)域最大，超過10 kW/m臨界值的危險(xiǎn)區(qū)域面積達(dá)到最大，長約為17 m，寬約為5.6 m。因此該區(qū)域內(nèi)的設(shè)備應(yīng)放置在危險(xiǎn)區(qū)域17 m以外的位置較為安全。

4.4 無風(fēng)條件與有風(fēng)條件下設(shè)備安全評(píng)估對(duì)比

分析艦船甲板各火災(zāi)工況下固體表面溫度以及輻射熱通量，對(duì)設(shè)備危害較大的因素同樣為火焰熱輻射。對(duì)于火源熱釋放速率較大的油池火，設(shè)備熱輻射危險(xiǎn)半徑約為6 m；在有風(fēng)條件下，設(shè)備危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在火源下風(fēng)向，危險(xiǎn)區(qū)域最大長度達(dá)到17 m。艦船甲板各工況下設(shè)備危險(xiǎn)區(qū)域半徑見表7。

表7 艦船甲板設(shè)備危險(xiǎn)區(qū)域半徑

5 結(jié)論

1)對(duì)于艦船甲板上最可能發(fā)生并且發(fā)生后危害性較大的油類火災(zāi)，水成膜泡沫滅火設(shè)施可以有效的將火災(zāi)撲滅，分析發(fā)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)會(huì)一定程度上增加水成膜泡沫的滅火時(shí)間。

2)艦船甲板上火災(zāi)向四周的熱輻射對(duì)損管人員和設(shè)備的危害較大，無風(fēng)條件下煙氣溫度與輻射熱通量的危害區(qū)域呈圓形，當(dāng)存在環(huán)境風(fēng)時(shí)，危害區(qū)域主要出現(xiàn)在火源下風(fēng)向約呈長條形。

3)相較于無風(fēng)情況，環(huán)境風(fēng)條件下火源下風(fēng)向的危險(xiǎn)范圍大大增加，正常海況下甲板風(fēng)速較大，建議損管人員選擇上風(fēng)向的滅火位置。同時(shí)考慮到甲板油類火災(zāi)的流淌性給滅火帶來不利影響，建議增設(shè)移動(dòng)式的擋油設(shè)施或器材，限制油料的蔓延。

4)艦船甲板上火災(zāi)對(duì)損管人員及設(shè)備的傷害主要通過熱輻射，建議損管人員做好熱輻射防護(hù)，對(duì)火源周圍設(shè)備進(jìn)行降溫防護(hù)，或配備移動(dòng)式的隔熱器材對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行隔熱防護(hù)，避免火災(zāi)對(duì)設(shè)備造成永久性的損傷。