基于PyroSim的飛機(jī)貨艙火災(zāi)仿真模擬

摘 要：以我國(guó)民航客機(jī)中最為常見(jiàn)的機(jī)型波音737-800型客機(jī)為例，參考美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真軟件PyroSim對(duì)飛機(jī)在?？窟^(guò)程中發(fā)生貨艙火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，共分析不同裝載率的貨物燃燒、貨艙門(mén)關(guān)閉、有風(fēng)和存在危險(xiǎn)的易燃易爆物品4種情況，得到貨艙火災(zāi)的熱釋放速率和溫度隨時(shí)間變化情況。仿真結(jié)果符合實(shí)際，與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，提出一些關(guān)于飛機(jī)防火的建議，為機(jī)場(chǎng)消防站的布局和訓(xùn)練滅火、火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì)等提供參考。

關(guān)鍵詞：PyroSim；波音737-800；飛機(jī)貨艙火災(zāi)；火災(zāi)仿真；熱釋放速率

中圖分類號(hào)：V37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）23-0059-07

Abstract： Taking Boeing 737-800， the most common type of civil airliner in China， as an example， with reference to the relevant experiments of the Federal Aviation Administration（FAA） of the United States， the cargo hold fire during parking is numerically simulated by the simulation software PyroSim， and four conditions of cargo combustion， cargo door closure， wind and dangerous flammable and explosive materials with different loading rates are analyzed. The heat release rate and temperature of cargo hold fire with time are obtained. The simulation results are consistent with the reality and consistent with the relevant experimental data， and the results are analyzed， and some suggestions about aircraft fire prevention are put forward， which provides a reference for the layout and training of airport fire stations and the design of fire alarms.

Keywords： PyroSim; Boeing 737-800; aircraft cargo hold fire; fire simulation; heat release rate

火災(zāi)是當(dāng)今世界上發(fā)生頻率高，產(chǎn)生危害和損失大的災(zāi)害之一，對(duì)人類的生存和發(fā)展有嚴(yán)重威脅。如今，世界民航事業(yè)飛速發(fā)展，伴隨而來(lái)許多民航安全問(wèn)題，例如在民航領(lǐng)域頻繁發(fā)生的火災(zāi)事故造成了嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重限制了民航業(yè)的快速發(fā)展，飛機(jī)火災(zāi)又具有可燃、易燃物多，火勢(shì)蔓延速度快、危險(xiǎn)性大、撲救困難等特點(diǎn)[1-2]。因而急需開(kāi)展面向火災(zāi)模擬仿真的研究工作，這對(duì)于指導(dǎo)抑制火災(zāi)的傳播、正確高效的滅火、保障民航業(yè)安全穩(wěn)定的工作具有重要意義。

目前許多科研工作者在飛機(jī)火災(zāi)建模、仿真、滅火等一系列問(wèn)題上做了大量的工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[2-4]，但是這些飛機(jī)火災(zāi)研究的場(chǎng)景大多比較單一，極少有針對(duì)不同工況下的研究分析。因此本文在前人的基礎(chǔ)上以飛機(jī)在?？窟^(guò)程中發(fā)生貨艙火災(zāi)為例，對(duì)不同工況下的飛機(jī)貨艙火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其燃燒情況和變化規(guī)律，為機(jī)場(chǎng)消防站的布局和訓(xùn)練滅火、火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì)等提供參考。

1 飛機(jī)貨艙火災(zāi)的場(chǎng)景設(shè)定

1.1 Pyrosim功能介紹

Pyrosim是一款用于消防模擬的軟件，它以計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)，直接調(diào)用FDS計(jì)算核心和Smokeview，并輸出數(shù)據(jù)，被廣泛用于建立消防模擬，模擬火災(zāi)的范圍很廣，并對(duì)火災(zāi)中煙氣的運(yùn)動(dòng)、溫度和毒氣濃度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分析[5]。該軟件可以建立模型，導(dǎo)入FDS軟件進(jìn)行運(yùn)算，由Smokeview顯示模擬結(jié)果并輸出數(shù)據(jù)。具體功能如圖1所示。

1.2 飛機(jī)貨艙模型搭建

目前我國(guó)航空運(yùn)輸常見(jiàn)的主力機(jī)型為波音737-800，貨艙分為前貨艙和后貨艙，本文以前貨艙為例進(jìn)行火災(zāi)的仿真模擬。貨艙容積19.6 m3，其尺寸如圖2所示。Pyrosim的流體動(dòng)力學(xué)模型是求解適用于熱驅(qū)動(dòng)的低速流動(dòng)N-S方程，具體數(shù)值方法是空間和時(shí)間上具有二階精度的顯式預(yù)測(cè)校正算法，由于方程離散方法的限制，計(jì)算區(qū)域及內(nèi)部物體只能為長(zhǎng)方體及其組合體[6]。而飛機(jī)貨艙存在弧面部分，所以首先需要在SoildWorks上建立飛機(jī)貨艙的三維模型如圖3所示。

將該三維模型的dxf文件格式導(dǎo)出至Pyrosim軟件中，軟件會(huì)自動(dòng)用多個(gè)長(zhǎng)方體組合近似逼近代替飛機(jī)貨艙的弧形部分，弧面部分按等效體積折算為FDS易于處理的長(zhǎng)方體，轉(zhuǎn)換為FDS輸入文件格式再通過(guò)拉伸并添加其他模型設(shè)置場(chǎng)景等，最后在Pyrosim中建立飛機(jī)貨艙火災(zāi)燃燒模型，如圖4所示。

參考FAA的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，艙體材質(zhì)設(shè)置為合金，飛機(jī)合金材料質(zhì)量密度為2 800 kg/m3，考慮到飛機(jī)內(nèi)部空間，設(shè)顆粒質(zhì)量密度為280 kg/m3。行李箱尺寸設(shè)置參考目前最為常見(jiàn)的20寸行李箱，尺寸設(shè)置為50 cm× 40 cm×20 cm即0.04 m３。為了仿真結(jié)果與實(shí)際火災(zāi)燃燒情況貼近，在燃燒材料上分別選用了纖維、PVC、泡沫、乙醇，各材料參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 復(fù)雜熱解模型的設(shè)定

設(shè)定熱解參數(shù)的火災(zāi)是通過(guò)設(shè)置燃料的熱物理屬性和熱解參數(shù)，F(xiàn)DS根據(jù)設(shè)定的參數(shù)及火災(zāi)的熱反饋狀況對(duì)燃料進(jìn)行熱解，進(jìn)而產(chǎn)生可燃?xì)怏w。飛機(jī)貨艙火災(zāi)作為固體燃料火災(zāi)分別需要對(duì)熱解產(chǎn)物和熱解速率進(jìn)行設(shè)定。在熱解產(chǎn)物方面，可燃物的熱解產(chǎn)物包括可燃?xì)怏w和固體殘留物，如圖5所示。

在熱解速率方面，當(dāng)溫度到達(dá)一定值后熱解開(kāi)始，質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，反應(yīng)速率增加，反應(yīng)速率達(dá)到峰值的溫度即為FDS的參考溫度。熱解發(fā)生在參考溫度之前，燃料的熱解需要吸收一定的熱量稱為反應(yīng)熱。研究表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ys是時(shí)間t和溫度Ts的函數(shù)，表達(dá)式為

式中：A為指前因子，E為活化能，R為常數(shù)。

可見(jiàn)固體燃料的熱解速率取決于指前因子與活化能，其值確定后，F(xiàn)DS即可計(jì)算出可燃物的熱解速率，但是對(duì)于大多數(shù)材料無(wú)法獲取這2個(gè)值，因此采用下式替代。

式中：為熱重實(shí)驗(yàn)時(shí)的升溫速率，默認(rèn)值為5 ℃/min；？駐T為熱解角，默認(rèn)值為80 ℃；vs為熱解的固體殘留物含量，默認(rèn)值為0；rp為熱解率峰值，即參考溫度處的熱解率，默認(rèn)值為0.002；YS為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，單一材料單一熱解時(shí)取1；R為理想氣體常數(shù)，為8.314；TP為參考溫度。最后為了得到火災(zāi)模擬的結(jié)果需要設(shè)置3d切片并在飛機(jī)艙門(mén)處設(shè)置溫度探測(cè)器。

2 不同工況下的火災(zāi)仿真

2.1 50%貨物的火災(zāi)仿真

假設(shè)外界溫度20 ℃，不考慮日照輻射的影響。以50%的貨物裝載率為例，通過(guò)使用ignitor點(diǎn)火器將貨艙行李點(diǎn)燃，在Smokeview中顯示的燃燒結(jié)果如圖6所示。

結(jié)合圖6、圖7的結(jié)果分析可將飛機(jī)貨艙火災(zāi)發(fā)展的大致過(guò)程分為4個(gè)階段。首先在開(kāi)始時(shí)間段飛機(jī)貨艙被點(diǎn)火器引燃，著火先經(jīng)歷陰燃階段，火勢(shì)較小，并伴隨有濃煙冒出。

隨后在約347 s時(shí)開(kāi)始進(jìn)入快速燃燒階段，火災(zāi)從著火點(diǎn)處快速燃燒并蔓延至貨艙口處，一旦火災(zāi)進(jìn)入快速燃燒階段，滅火的難度會(huì)大大增加。再結(jié)合圖8可以看出火災(zāi)快速燃燒伴隨著熱釋放速率的快速上升，貨艙口的溫度也在快速上升，此時(shí)很有可能會(huì)發(fā)生轟燃，并從貨艙口擴(kuò)散點(diǎn)燃整個(gè)機(jī)身，造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此在貨艙火災(zāi)報(bào)警器設(shè)計(jì)和布局時(shí)，需要能在火災(zāi)處于陰燃階段就發(fā)出警報(bào)?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)消防人員應(yīng)在第一時(shí)間趕到現(xiàn)場(chǎng)滅火。最大可能做到在火災(zāi)的陰燃就能處理掉，將火災(zāi)扼殺在搖籃中，使生命財(cái)產(chǎn)損失降至最低。

在500 s后火災(zāi)開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段，隨著時(shí)間的推移，貨物從貨艙口處到貨艙內(nèi)部逐漸被燃燒殆盡。最后在1 250 s后火災(zāi)逐漸熄滅，處于消退階段。該結(jié)果與美國(guó)聯(lián)邦航空管理局運(yùn)輸部關(guān)于新型客機(jī)/貨機(jī)滅火方法的報(bào)告結(jié)果相近[7]，可見(jiàn)本文火災(zāi)參數(shù)的選取和建模合理，可以應(yīng)用于飛機(jī)貨艙火災(zāi)研究。

2.2 不同數(shù)量貨物的火災(zāi)仿真

考慮到飛機(jī)的實(shí)際運(yùn)輸能力以及現(xiàn)實(shí)中飛機(jī)的裝載情況，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)?zāi)壳氨容^權(quán)威的估計(jì)是：貨機(jī)實(shí)際運(yùn)載能力按飛機(jī)貨艙容積的60%計(jì)算[8]，因此為了使仿真結(jié)果更具有準(zhǔn)確性和說(shuō)服力，本文共設(shè)置了30%、40%、50%及60%裝載率4種情況。

圖9、圖10表示不同裝載率的貨物熱釋放速率和貨艙口溫度變化，不同裝載率的貨物燃燒在前500 s都經(jīng)歷了陰燃、快速燃燒和穩(wěn)定燃燒階段，燃燒結(jié)果符合此類實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，在火災(zāi)初期增長(zhǎng)階段，熱釋放速率近似按時(shí)間的平方發(fā)展，增長(zhǎng)曲線可近似表示為

q=α（t-t0）2，

式中：Q為熱釋放速率，α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，t為火災(zāi)發(fā)生后的時(shí)間，t0為火災(zāi)有效燃燒所需的時(shí)間。不同裝載率的貨物火災(zāi)有效燃燒所需時(shí)間t0也不同，貨物越多，t0越大，即快速燃燒發(fā)生的時(shí)間越晚、火災(zāi)持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng)。

2.3 貨艙門(mén)關(guān)閉情況下的火災(zāi)仿真

在大多數(shù)的時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)貨艙門(mén)都是處于關(guān)閉狀態(tài)，所以本文還探究了不同裝載率的貨物在貨艙門(mén)關(guān)閉情況下發(fā)生火災(zāi)的燃燒情況。假設(shè)貨艙門(mén)的密封性良好，不同裝載率的貨物燃燒情況如圖11、圖12所示。

由圖11、圖12可知，在貨艙門(mén)關(guān)閉的情況下，貨艙中的氧氣總量越高，貨物的熱釋放率和溫度的峰值也越高。貨艙火災(zāi)在經(jīng)歷快速燃燒后由于氧氣的總量有限而逐漸消退，但是在這一過(guò)程中也有可能會(huì)燒穿貨艙，而且如果后續(xù)打開(kāi)艙門(mén)也會(huì)存在復(fù)燃火勢(shì)變大的可能，因此在滅火過(guò)程中如果貨艙門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，更應(yīng)當(dāng)注意滅火時(shí)的操作規(guī)范，不能掉以輕心。

2.4 有風(fēng)條件

眾所周知，機(jī)場(chǎng)的環(huán)境條件復(fù)雜多變，因此增加了有風(fēng)的情況，探究有風(fēng)天氣對(duì)于貨艙火災(zāi)的影響。對(duì)于風(fēng)速的設(shè)計(jì)可以用以下關(guān)系式表示

v=q/a

式中：V為風(fēng)速，Q為體積流量，A為風(fēng)扇出口截面積。將風(fēng)扇出口正對(duì)著貨艙出口，使風(fēng)扇出口截面積等于貨艙門(mén)面積，設(shè)置對(duì)應(yīng)的恒定體積流量，就可以得出對(duì)應(yīng)的風(fēng)速。本文共設(shè)置了圖13和圖14中的7種風(fēng)速條件。

由圖13、圖14可知，由于風(fēng)的存在，會(huì)使得貨艙火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)快速燃燒的時(shí)間點(diǎn)提前，加快火災(zāi)的蔓延速度，所謂“風(fēng)助火勢(shì)”，且風(fēng)速越大，發(fā)生快速燃燒的時(shí)間點(diǎn)越早。因此在大風(fēng)天氣的情況下，要更加注意火災(zāi)的防護(hù)，提高火災(zāi)防護(hù)意識(shí)。

2.5 存在易燃易爆物品情況下的火災(zāi)仿真

在日常生活中，存在大量具有易燃易爆特性的物品，極容易被誤帶上飛機(jī)，其易燃易爆特性可能對(duì)飛機(jī)及其乘客的安全構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。本文以生活中常見(jiàn)的酒精制品為例，分析酒精類制品對(duì)于飛機(jī)貨艙火災(zāi)的影響。根據(jù)民航局《民航旅客限制隨身攜帶或托運(yùn)物品目錄》中有關(guān)規(guī)定，酒精飲料禁止隨身攜帶，但可作為行李托運(yùn)。但是托運(yùn)要滿足以下限定條件：標(biāo)示全面清晰且置于零售包裝內(nèi)，每個(gè)容器容積不得超過(guò)5 L；酒精的體積百分含量小于或等于24%時(shí)，托運(yùn)數(shù)量不受限制；酒精的體積百分含量大于24%、小于或等于70%時(shí)，每位旅客托運(yùn)數(shù)量不超過(guò)5 L[9]；根據(jù)這一規(guī)定，本文共設(shè)置了以圖15和圖16中的4種情況。

由圖15、圖16可知，行李中含有酒精制品對(duì)于快速燃燒時(shí)間點(diǎn)的提前影響不大，少量的含酒精貨物的熱釋放速率和溫度曲線與無(wú)酒精的相吻合?？紤]到在實(shí)際的航空運(yùn)輸過(guò)程中，基本不會(huì)出現(xiàn)旅客攜帶大量易燃物品的情況，因此少量的酒精制品在火災(zāi)發(fā)生后并不會(huì)對(duì)火災(zāi)產(chǎn)生較大影響。但是并不意味著對(duì)于易燃易爆品我們可以坐視不理，像酒精這樣的易燃易爆物品，由于其極易燃燒的性質(zhì)，會(huì)增加火災(zāi)發(fā)生的幾率，在旅客登機(jī)時(shí)，安檢部門(mén)也應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格審查管理。

3 結(jié)論和消防建議

本文參考FAA的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真軟件PyroSim對(duì)飛機(jī)在?？窟^(guò)程中發(fā)生貨艙火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同工況下的飛機(jī)貨艙火災(zāi)情況，得到了貨艙火災(zāi)的熱釋放速率和溫度隨時(shí)間變化情況，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論。

1）飛機(jī)貨艙火災(zāi)要分別經(jīng)歷陰燃階段、快速燃燒階段、穩(wěn)定燃燒階段和消退階段。尤其要注意快速燃燒階段，此時(shí)火災(zāi)能夠快速蔓延，滅火的難度相較于陰燃階段會(huì)大大增加。

2）貨艙門(mén)關(guān)閉情況下，貨艙火災(zāi)在經(jīng)歷快速燃燒后會(huì)逐漸消退，但后續(xù)打開(kāi)貨艙門(mén)會(huì)有復(fù)燃的風(fēng)險(xiǎn)。

3）有風(fēng)天氣會(huì)使得貨艙火災(zāi)快速燃燒時(shí)間點(diǎn)提前。

4）行李中含有酒精制品對(duì)于火災(zāi)時(shí)間影響不大但是要注意其易燃性。

根據(jù)FAA的要求：飛機(jī)貨艙中的火災(zāi)探測(cè)器必須在火災(zāi)發(fā)生60 s時(shí)間內(nèi)發(fā)出報(bào)警信號(hào)[10]，以及根據(jù)ICAO（International Civil Aviation Organization， 國(guó)際民航組織）頒布的《國(guó)際民用航空公約》附件十四規(guī)定：機(jī)場(chǎng)救援與消防勤務(wù)的工作目標(biāo)必須是在最佳能見(jiàn)度和地面條件下，不超過(guò)3 min的應(yīng)答時(shí)間內(nèi)到達(dá)每條運(yùn)行跑道的任一點(diǎn)[11]。再結(jié)合上述的仿真結(jié)果，提出以下幾點(diǎn)建議。

1）當(dāng)火災(zāi)進(jìn)入快速燃燒階段后滅火的難度會(huì)大大增加，在機(jī)場(chǎng)建設(shè)初期，消防站的選址時(shí)要確保消防車能在3 min的應(yīng)答時(shí)間內(nèi)到達(dá)每條運(yùn)行跑道的任一點(diǎn)。有風(fēng)天氣會(huì)使得火災(zāi)的快速燃燒時(shí)間提前，因此消防人員日常應(yīng)勤于訓(xùn)練，確保能在3 min的應(yīng)答時(shí)間內(nèi)到達(dá)著火點(diǎn)的基礎(chǔ)上縮短到達(dá)著火點(diǎn)的時(shí)間，盡可能將火災(zāi)撲滅在陰燃階段。

2）在飛機(jī)貨艙火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì)以及布局上要確保在火災(zāi)發(fā)生初期的陰燃階段就能發(fā)出警報(bào)。

3）行李當(dāng)中含有酒精制品對(duì)于快速燃燒時(shí)間點(diǎn)的提前影響不大，并不會(huì)加快火災(zāi)蔓延的速度。但是會(huì)增加火災(zāi)發(fā)生的幾率，對(duì)于酒精等易燃易爆物品要制定嚴(yán)格且詳細(xì)的登機(jī)政策。例如，對(duì)于攜帶酒精制品的種類、含量和容量等作出具體限制，對(duì)于度數(shù)較高的酒精制品應(yīng)禁止帶上飛機(jī)。且最好采用包裝袋將其與其他行李物品進(jìn)行物理隔絕，并制定液體物品攜帶的安全規(guī)定。

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第一作者簡(jiǎn)介：莫慶益（1998-），男，碩士。研究方向?yàn)樽詣?dòng)化系統(tǒng)及技術(shù)。

*通信作者：賈立山（1976-），男，博士，副研究員。研究方向?yàn)樽詣?dòng)化系統(tǒng)及技術(shù)。