潛艇機(jī)艙艙底火災(zāi)模擬研究

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(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所，上海 201108)

潛艇機(jī)艙布置有多個(gè)大型油箱和用油設(shè)備，極有可能出現(xiàn)油污滴漏，在艙底沉積，形成較大尺度的油池，一旦遇到合適點(diǎn)火源，在遮蔽條件下，發(fā)生艙底油池火[1]。

艙底火由于具有隱蔽性，與一般的敞開(kāi)空間火災(zāi)具有不同火災(zāi)特性。例如，艙底火的煙霧蔓延及火焰受到鋪板或者設(shè)備的遮擋作用，對(duì)于該類(lèi)火災(zāi)的探測(cè)及滅火影響較大。發(fā)生艙底火時(shí)，火焰的熱量直接加熱鋪板、艙壁，極有可能導(dǎo)致潛艇結(jié)構(gòu)材料的變形、斷裂。研究發(fā)生艙底火煙霧的蔓延規(guī)律、艙壁的溫度分布，對(duì)于研究火災(zāi)情況下機(jī)艙艙壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有著重要的參考作用。

全尺度火災(zāi)試驗(yàn)是研究火災(zāi)規(guī)律最直接的方法，但是全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)是一種毀壞性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)成本很高，且具有一定的危險(xiǎn)性，特別是對(duì)于較大規(guī)模的火災(zāi)。本文采用計(jì)算機(jī)模擬的方法對(duì)潛艇機(jī)艙艙底火災(zāi)規(guī)律進(jìn)行研究。

FDS(fire dynamics simulator)是以大渦模擬為基礎(chǔ)的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件(CFD)，可以模擬火災(zāi)湍流流動(dòng)過(guò)程。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)的N-S方程，重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過(guò)程，可以較為快速準(zhǔn)確地分析復(fù)雜的三維火災(zāi)問(wèn)題，能很好地計(jì)算各類(lèi)火災(zāi)情況下空間內(nèi)各點(diǎn)的溫度、煙霧運(yùn)動(dòng)等參數(shù)。采用FDS模擬軟件，結(jié)合PyroSim模型軟件，計(jì)算潛艇空間發(fā)生遮蔽艙底火情況下的艙內(nèi)溫度、煙霧傳播、艙壁溫度等參數(shù)，可為后期的消防防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬輸入條件

本項(xiàng)研究的空間結(jié)構(gòu)模型為一個(gè)方空腔模型，分隔成上、中、下層。前后方向上設(shè)有門(mén)與其他空間相通，通風(fēng)系統(tǒng)均采用左邊進(jìn)風(fēng)，右邊回風(fēng)的方式。模型尺寸設(shè)為(長(zhǎng)×寬×高)：13 m×9.6 m×9.6 m，門(mén)的尺寸為0.8 m×0.8 m，通風(fēng)口的尺寸均為0.2 m×0.2 m，每層有6個(gè)通風(fēng)口。

下層某空間內(nèi)鋪板下方設(shè)置一個(gè)大型油盤(pán)，模擬艙底火工況。鋪板大小約為6 m×8 m。計(jì)算時(shí)設(shè)定鋪板及艙壁材料為鋼板，厚度為10 mm。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算模型

2.1 最大熱釋放速率

本模擬假設(shè)在一定的時(shí)間后，柴油經(jīng)油管泄漏后在艙底中心位置形成一直徑為2.4 m、厚0.02 m的油池，為便于計(jì)算，考慮簡(jiǎn)化為邊長(zhǎng)為2.13 m的方形油盤(pán)，內(nèi)部倒入0.02 m厚的燃油，柴油機(jī)底部距離油盤(pán)高0.5 m，鋪板到油盤(pán)的距離為0.7 m，具體布置見(jiàn)圖1。

圖1 某艙室模型

燃油采用某型號(hào)的柴油，其各項(xiàng)物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某型號(hào)柴油性能指標(biāo)

發(fā)生火災(zāi)后的熱釋放速率是決定火災(zāi)發(fā)展及火災(zāi)危害的主要參數(shù)，受限型油池火最大熱釋放速率為[2]。

(1)

式中：Δhc——該可燃物的燃燒熱；

D——油池直徑；

m——每單位表面積的質(zhì)量燃燒速率,

m=m∞(1-e-kD);

其中：m∞——大型油池火災(zāi)漸進(jìn)質(zhì)量燃燒率；

k——有效吸收系數(shù)。

計(jì)算得到該型柴油池火的最大熱釋放速率為5 744 kW。

2.2 火災(zāi)增長(zhǎng)

火災(zāi)增長(zhǎng)有一個(gè)從小火發(fā)展為穩(wěn)定燃燒，達(dá)到最大熱釋放速率的過(guò)程。其計(jì)算是根據(jù)不同火災(zāi)種類(lèi)的最大熱釋放速率。根據(jù)火場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和大量的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果分析，人們通常對(duì)一定空間內(nèi)的火災(zāi)發(fā)展過(guò)程用具體的數(shù)學(xué)計(jì)算公式來(lái)描述。針對(duì)火災(zāi)中可燃物的熱釋放速率，大部分采用“時(shí)間-平方火災(zāi)”來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算[3]：

Q=αt2

(2)

式中：Q——火災(zāi)穩(wěn)態(tài)燃燒的熱釋放速率；

α——火焰增長(zhǎng)系數(shù)，α=0.002 9(慢速)，α=0.011 7(普)，α=0.046 9(快速)，α=0.187 6(超快速)。

油池火的火災(zāi)發(fā)展初期增長(zhǎng)一般為超快速型，經(jīng)過(guò)計(jì)算，艙底火災(zāi)在174 s內(nèi)到達(dá)最大熱釋放速率，在此后一段時(shí)間內(nèi)熱釋放速率保持穩(wěn)定，模擬計(jì)算時(shí)間為600 s。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律及室內(nèi)能見(jiàn)度分析

火災(zāi)中煙氣為主要的危害，對(duì)火災(zāi)蔓延、人員疏散和財(cái)產(chǎn)損失有重要影響。

圖2為艙底火蔓延過(guò)程的示意圖。

圖2 艙底火蔓延示意

艙底火發(fā)生后，由于產(chǎn)生的熱煙氣密度比空氣小，煙氣向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)煙氣蔓延受到艙底鋪板和設(shè)備的阻擋，一部分煙霧上升到達(dá)鋪板后，沿著鋪板下方向四周蔓延，一部分則從鋪板之間的縫隙上升，到達(dá)艙室上方，隨著熱煙氣的不斷產(chǎn)生，熱煙氣會(huì)沉積于艙室上方，快速充滿(mǎn)頂部空間，然后向下沉降蔓延。

圖3為不同時(shí)刻的煙氣分布圖。

圖3 不同時(shí)刻的煙氣蔓延

由圖3可知，右邊由于布置有進(jìn)風(fēng)口，提供燃燒所需氧氣，右邊的火勢(shì)明顯比左邊大，產(chǎn)生煙霧較多，這是由于火災(zāi)煙氣含有未燃的可燃蒸氣，會(huì)自動(dòng)尋找氧氣，從而使得火勢(shì)向富氧區(qū)蔓延，約175.8 s以后，火焰已經(jīng)蔓延至中下層其它房間。

圖4為不同時(shí)刻的艙內(nèi)能見(jiàn)度變化圖。

圖4 不同時(shí)刻的能見(jiàn)度

3.2 溫度場(chǎng)分布規(guī)律

潛艇機(jī)艙火災(zāi)溫度場(chǎng)的分布對(duì)于船體結(jié)構(gòu)及火災(zāi)撲救等有重要的影響。

圖5為油盤(pán)火源上方垂直方向的溫度變化情況。監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于該艙段下層，距離油盤(pán)高度分別為0.9，1.8，2.7 m，此處溫度分布主要受火焰溫度和煙氣蔓延運(yùn)動(dòng)的影響。由圖可知，距離火源0.9 m位置的溫度最高，可達(dá)約840 ℃，三點(diǎn)的溫度在油盤(pán)點(diǎn)燃之后迅速上升，0.9 m處上升最快，這是由于該處靠近火源，接受火焰輻射最大，升溫較快。

圖5 火源上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)

結(jié)合圖4、圖5可知，1 min后，從鋪板縫隙上升的煙氣已經(jīng)在該艙室的頂部聚集，如圖4所示，這促使頂部能見(jiàn)度從26 m下降到約15.8 m，175.8 s時(shí)刻，該艙室能見(jiàn)度已經(jīng)下降至0.5 m以下，該艙段中下層所有房間都出現(xiàn)熱煙氣。在275.4 s時(shí)刻，該艙中、下層能見(jiàn)度接近于0，煙霧已經(jīng)完全充滿(mǎn)整個(gè)中下層，火場(chǎng)已完全失控。

因此，發(fā)生艙底火時(shí)，進(jìn)風(fēng)口等富氧區(qū)域?yàn)榛馂?zāi)蔓延危險(xiǎn)區(qū)域，必須采取機(jī)械排煙措施，由于一部分熱煙氣首先在鋪板下方蔓延，該部位也需采取控?zé)煷胧?，控制煙氣運(yùn)動(dòng)是控制火災(zāi)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵，也為人員疏散提供了有效時(shí)間。

圖6為鋪板下方離火源較遠(yuǎn)的左邊部位兩個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)圖。

圖6 鋪板下左邊部位溫度分布

由圖6可知，約70 s時(shí)，鋪板下方的煙氣蔓延至左邊部位，溫度開(kāi)始上升，在約220 s時(shí)達(dá)到最大值。

圖7為鋪板上方左邊部位溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖7 鋪板上左邊部位溫度分布

由圖7可知，距火源高2.7 m處的溫度最先上升，這是由于煙霧首先在頂部聚集后才逐漸沉降，因此，該部位溫度分布主要受煙霧傳播的影響。在火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中，鋪板上方左邊部位的溫度在200～250 ℃有一個(gè)降低后再次上升的過(guò)程，這是由于在鋪板下方蔓延的熱煙氣從鋪板邊緣的縫隙蔓延上升，導(dǎo)致該部位煙霧濃度急劇上升，使得溫度相應(yīng)升高。

比較左邊部位鋪板上下方的溫度發(fā)展可知，發(fā)生艙底火時(shí)，大部分煙霧會(huì)從鋪板間縫隙迅速上升，鋪板上方溫度上升較快，下方反而上升較慢，鋪板上方的平均溫度高于鋪板下方溫度。比較圖5及圖7可知，在同一高度上，左邊溫度明顯低于火源上方溫度，這是由于左邊上方有一個(gè)排煙口，自然排煙效果較明顯，而且火源上方受火焰輻射作用較大，進(jìn)而在同一高度，火源上方溫度較高。

3.3 艙壁溫度分布

圖8為在艙底發(fā)生直徑為2.4 m、厚0.02 m的柴油池火情況下，該艙段前壁面的溫度分布，下層艙壁由于受到火焰及熱煙氣對(duì)流輻射，部分溫度達(dá)到600 ℃以上。中層及下層艙壁溫度達(dá)到400 ℃以上，從8b)圖可見(jiàn)，進(jìn)風(fēng)口周?chē)诿鏈囟让黠@比出風(fēng)口處低，說(shuō)明進(jìn)風(fēng)口中補(bǔ)充的冷空氣對(duì)周?chē)摫诘臏囟扔休^好的控制作用。顯然，對(duì)該部位艙壁的防火強(qiáng)度要求大大降低。

圖8 前艙壁溫度分布

4 結(jié)論

1)機(jī)艙發(fā)生艙底油盤(pán)火時(shí)，小部分煙霧在鋪板的阻擋下，在艙底蔓延，最終從鋪板邊緣縫隙上升填充艙室。大部分煙霧則從鋪板中間縫隙直接上升蔓延，到達(dá)艙室上方，隨著熱煙氣的不斷產(chǎn)生，熱煙氣會(huì)沉積于艙室上方，快速充滿(mǎn)頂部空間，向下沉降。

2)溫度場(chǎng)分布與火災(zāi)中煙氣及火焰的蔓延有著內(nèi)在的統(tǒng)一關(guān)系，煙氣濃度的變化對(duì)溫度場(chǎng)的分布有著極大的影響。

3)火災(zāi)時(shí)候，進(jìn)風(fēng)口對(duì)艙壁有明顯的降溫作用，而在其它部位，特別是排風(fēng)口部位，需要對(duì)其防火結(jié)構(gòu)加固。

4)通過(guò)對(duì)艙底油盤(pán)火模擬過(guò)程分析，整個(gè)艙室的溫度在25～150 s的短暫時(shí)間內(nèi)，整個(gè)艙室的溫度將急速升高，這也驗(yàn)證了潛艇機(jī)艙火災(zāi)的特殊危險(xiǎn)性。在潛艇設(shè)計(jì)過(guò)程中，要合理設(shè)置船員的逃生通道，以期在短暫時(shí)間內(nèi)將人員安全疏散。

[1] DAVID LEBLANE. Fire environments typical of navy ships[D]. Worcester Polytechnic Institute, 1998.

[2] 陳國(guó)慶，陸守香，莊 磊．船舶機(jī)艙油料火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程研究[J].中圖科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2006，36(1):91-95.

[3] 范維澄，王清安，姜馮輝，等.火災(zāi)學(xué)簡(jiǎn)明教程[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1995.