載人航天器密封艙內(nèi)火災(zāi)流場特性數(shù)值研究

趙建賀，王 冉，俞 進(jìn)，石 泳，趙新攀

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

載人航天器內(nèi)存在大量的電氣設(shè)備和較多的非金屬材料，且擁有高濃度（高質(zhì)量密度）的氧氣環(huán)境。電路過載、短路，設(shè)備過熱，氧氣泄漏等是載人航天器內(nèi)火災(zāi)事故的主要隱患。例如：1970年美國“阿波羅13號”飛船登月飛行時(shí)，服務(wù)艙因電路過載、短路引起局部爆炸，致使電力、氧氣、水供應(yīng)不足，最終航天員通過登月艙艱難返回地球；1997年，“和平號”空間站氧氣發(fā)生器破裂引起火災(zāi)（后被航天員撲滅）；美國航天飛機(jī)也多次發(fā)生火災(zāi)事故[1-3]。

對于微重力燃燒，中國科學(xué)院國家微重力實(shí)驗(yàn)室曾通過落塔火災(zāi)試驗(yàn)來模擬失重環(huán)境下的火災(zāi)[4]；曹龍?jiān)饕獙ξ⒅亓l件下火焰沿固體燃料、纖維素燃料表面?zhèn)鞑C(jī)理及蠟燭火焰特征進(jìn)行了研究[5]。這些都是對微重力情況下單個(gè)火焰的燃燒情況進(jìn)行的研究。對微重力環(huán)境下整個(gè)火災(zāi)流場的特性研究，地面試驗(yàn)根本無法實(shí)現(xiàn)，即使在軌也難以進(jìn)行全尺寸火災(zāi)流場試驗(yàn)。但是利用數(shù)值模擬方法可以經(jīng)濟(jì)、高效地完成載人航天器在微重力環(huán)境下的火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律研究。胡海兵等曾對國際空間站艙室內(nèi)微重力火災(zāi)進(jìn)行過數(shù)值模擬，主要對頂棚45°送風(fēng)、地板自然回風(fēng)狀況進(jìn)行了仿真研究[6]。

本文選取載人航天器典型密封艙作為研究對象，采用FDS軟件對密封艙內(nèi)火災(zāi)流場進(jìn)行了數(shù)值仿真。主要對頂面45°斜送風(fēng)、前錐側(cè)面送風(fēng)及后錐面回風(fēng)的情況進(jìn)行了研究，得到了不同場景下的煙氣溫度、濃度分布規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果將為載人航天器密封艙艙內(nèi)火災(zāi)探測器的安裝布局設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 FDS軟件與大渦模擬概述

1.1 FDS軟件

FDS（Fire Dynamics Simulator）[7-8]是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology）開發(fā)的火災(zāi)專用仿真軟件。該軟件采用大渦模擬（LES）模型，可較準(zhǔn)確地對模擬火災(zāi)的流場、溫度場、壓力場、煙氣組分濃度場等進(jìn)行仿真分析[9-12]，簡單易用，可靠性高。NASA曾采用FDS軟件對微重力燃燒進(jìn)行了多工況研究，驗(yàn)證了該軟件進(jìn)行微重力火災(zāi)仿真的可靠性與有效性[8]。

1.2 大渦模擬技術(shù)

大渦模擬（LES）技術(shù)是一種介于雷諾時(shí)均應(yīng)力方程（RANS）與直接數(shù)值模擬（DNS）之間的數(shù)值模擬技術(shù)[13-14]。其主要思想是：在湍流動(dòng)能傳輸過程中，大尺度脈動(dòng)幾乎包含所有湍流動(dòng)能，而小尺度脈動(dòng)主要是耗散湍流動(dòng)能；通過濾波操作[15-16]，將大尺度渦與小尺度渦分離開。在大渦模擬控制方程求解過程中，先對攜帶動(dòng)量、能量信息的大尺度渦進(jìn)行精細(xì)計(jì)算，然后對小尺度渦進(jìn)行建模使方程組封閉。與大尺度渦相比，小尺度渦具有相似性、通用性，且其受邊界條件影響較小，與其他類似模型相比，只需進(jìn)行較小的調(diào)整就可應(yīng)用到不同的流動(dòng)條件[17]。

LES方法的準(zhǔn)確性較RANS高，并且由于放棄了直接計(jì)算小尺度的脈動(dòng)，從而可放大數(shù)值模擬的時(shí)間和空間步長，緩解對計(jì)算機(jī)硬件的苛刻要求，大大減少了計(jì)算的工作量。

2 微重力環(huán)境下火災(zāi)流場模擬

2.1 邊界條件

選取某典型載人航天器密封艙為分析對象，根據(jù)人活動(dòng)區(qū)域通風(fēng)回路設(shè)計(jì)，建立密封艙人活動(dòng)區(qū)簡化分析模型，如圖1所示。經(jīng)過簡化的密封艙尺寸為4.0 m×1.6 m×1.9 m（高），參考坐標(biāo)系原點(diǎn)位于密封艙底面中心。計(jì)算網(wǎng)格為0.02 m×0.02 m×0.02 m的正方體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)共計(jì)1 520 000個(gè)。計(jì)算時(shí)間為200 s。

圖1 密封艙艙室示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the sealed cabin

送風(fēng)口分為頂部送風(fēng)口與側(cè)壁送風(fēng)口。頂部送風(fēng)口主要為人活動(dòng)區(qū)送風(fēng)，尺寸為0.04 m×0.04 m，共18個(gè)，在頂面兩側(cè)對稱布置，呈45°向密封艙內(nèi)送風(fēng)，總流量為3.4 m3/s。為前錐面處安裝的儀器設(shè)備進(jìn)行散熱，側(cè)壁設(shè)置帶型送風(fēng)口兩個(gè)，尺寸為0.02 m×1.9 m，對吹向前錐面，總流量為3.6 m3/s。為保證流場內(nèi)氣流速度分布的均勻性，回風(fēng)口置于后錐面的下方，尺寸為1.6 m×0.3 m，流量為7.0 m3/s。

載人航天器密封艙中火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)源主要為儀器的電路過載失火[1,18-20]，根據(jù)火災(zāi)荷載分析，火源尺寸設(shè)置為0.2 m×0.2 m，熱釋放速率為10 kW，炭黑生成率為0.1。

2.2 場景設(shè)置

本文對強(qiáng)制通風(fēng)及無通風(fēng)情況下的密封艙火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬，火源位置及通風(fēng)狀況見表1。

表1 火災(zāi)場景設(shè)置Table 1 Fire cases

通過示蹤粒子可以更加直觀地查看艙室內(nèi)的通風(fēng)情況。如圖2所示，頂部18個(gè)通風(fēng)口斜向下45°送入新風(fēng)；前錐面兩個(gè)帶型送風(fēng)口對吹，為前錐面處安裝的電子設(shè)備散熱。

圖2 通風(fēng)情況粒子示蹤圖（場景A）Fig. 2 Schematic diagram of the particle trace (Case A)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 溫度分布規(guī)律

密封艙內(nèi)火災(zāi)探測器要求在1～2 min內(nèi)報(bào)警[6]，故本文選取火災(zāi)發(fā)生后 90 s時(shí)刻的流場作為分析對象。圖3～圖7分別對比了同樣火源位置、不同通風(fēng)狀況下的煙氣溫度（單位：℃）分布規(guī)律，可見，存在通風(fēng)時(shí)，流場高溫區(qū)域溫度可達(dá) 550～750 ℃，而無通風(fēng)時(shí)最高溫度約280 ℃。這是由于通風(fēng)加強(qiáng)了流場擾動(dòng)，為燃燒提供了充足的氧氣。

觀察圖3(b)～圖7(b)，可以發(fā)現(xiàn)在無通風(fēng)情況下，火源位置處溫度呈半球型背對艙壁對稱均勻分布，這是因?yàn)槲⒅亓Νh(huán)境缺乏自然對流，所以溫度差不能驅(qū)動(dòng)煙氣形成浮力羽流。還可以看到火源中心有一低溫區(qū)域，這是由于火焰燃燒形成了一個(gè)球殼形火焰墻，外部氧氣無法進(jìn)入火球中心參與燃燒，球內(nèi)部沒有燃燒發(fā)生，更無熱量產(chǎn)生，所以球心處溫度相對較低。

圖3 火源置于底面中心，y=0截面Fig. 3 Fire on the center of underside, y=0

圖4 火源置于側(cè)面中心，x=0截面Fig. 4 Fire on the center of side，x=0

圖5 火源置于頂面中心，y=0截面Fig. 5 Fire on the center of topside, y=0

圖6 火源置于前錐面中心，y=0截面Fig. 6 Fire on the center of front, y=0

圖7 火源置于后錐面中心，y=0截面Fig. 7 Fire on the center of back, y=0

觀察圖3(a)～圖7(a)發(fā)現(xiàn)：艙室底面發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在送風(fēng)及回風(fēng)的共同作用下，火焰向回風(fēng)口處傾斜；側(cè)壁發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高溫區(qū)域沒有被“吹”遠(yuǎn)離送風(fēng)口，反而是在流場回旋氣流的作用下更加貼近了送風(fēng)口；頂面發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高溫?zé)煔庠谒惋L(fēng)及回風(fēng)作用下向回風(fēng)口處運(yùn)動(dòng)；圖6(a)中火災(zāi)發(fā)生在前錐面中心，在前錐面兩側(cè)對吹氣流的作用下，高溫氣流很快流向后錐，高溫氣流帶長約2 m，占據(jù)了半個(gè)密封艙；圖7(a)中，在回風(fēng)口的強(qiáng)制通風(fēng)作用下，后錐面上產(chǎn)生的高溫?zé)煔獗怀槲M(jìn)了回風(fēng)口。

3.2 煙霧分布規(guī)律

圖8～圖 12分別對比了同樣火源位置、不同通風(fēng)狀況下的煙氣濃度（單位：kg/m3）分布規(guī)律。煙氣濃度均在0.0 002～0.0 026 kg/m3范圍內(nèi)。

通過溫度云圖與濃度云圖對比后可知，煙氣溫度分布與濃度分布規(guī)律幾乎一致，這是因?yàn)闊煔庠诼舆^程中，煙霧顆粒攜帶著熱量一同流動(dòng)。

圖8 火源置于底面中心，y=0截面Fig. 8 Fire on the center of underside, y=0

圖9 火源置于側(cè)面中心，x=0截面Fig. 9 Fire on the center of side, x=0

圖10 火源置于頂面中心，y=0截面Fig. 10 Fire on the center of topside, y=0

圖11 火源置于前錐面中心，y=0截面Fig. 11 Fire on the center of front, y=0

圖12 火源置于后錐面中心，y=0截面Fig. 12 Fire on the center of back, y=0

3.3 結(jié)果討論

對于無通風(fēng)情況下的火災(zāi)，煙氣高溫及高濃度區(qū)均在火源附近?？紤]到大功率電子設(shè)備為主要的火災(zāi)隱患，應(yīng)在這些設(shè)備周圍布置火災(zāi)探測器。

大多數(shù)情況下，密封艙內(nèi)存在強(qiáng)制通風(fēng)。根據(jù)仿真結(jié)果，此時(shí)須在大功率設(shè)備流場下游附近約0.5～1.0 m處布置火災(zāi)探測器。另外，流場中煙霧會較快流動(dòng)到回風(fēng)口處，因此需要在回風(fēng)口附近布置火災(zāi)探測器，以便盡早發(fā)現(xiàn)災(zāi)情。

4 結(jié)論及建議

采用 FDS軟件對典型載人航天器密封艙進(jìn)行了火災(zāi)數(shù)值模擬，獲得結(jié)論如下：綜合考慮密封艙內(nèi)通風(fēng)狀況，需在大功率電子設(shè)備流場下游約0.5～1.0 m處及回風(fēng)口附近布置火災(zāi)探測器。另外，為保證火災(zāi)探測器的可靠性，需將差定溫探測器與離子感煙探測器成對布置，二者互為備份。

（References）

[1]張夏. 載人航天器火災(zāi)安全研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展,2005, 35(1): 100-115 Zhang Xia. Progress in fire safety research for manned spacecraft[J]. Advances in Mechanics, 2005, 35(1):100-115

[2]張夏. 微重力燃燒研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2004, 34(4):507-528 Zhang Xia. Research advances on microgravity combustion[J]. Advances in Mechanics, 2004, 34(4):507-528

[3]王奇. 研制空間實(shí)驗(yàn)室煙火檢測和消防系統(tǒng)[J]. 航天器環(huán)境工程, 2004, 21(14): 44-50 Wang Qi. Development of smoke/fire detection and suppression system of space laboratory[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2004, 21(14): 44-50

[4]杜文峰, 孔文俊, 張孝謙. 微重力下環(huán)境壓力對火焰?zhèn)鞑サ挠绊慬J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2001, 22(6): 775-778 Du Wenfeng, Kong Wenjun, Zhang Xiaoqian. The effect of ambient pressure on the flame spread in microgravity[J]. Journal of Engineering Thermophysics,2001, 22(6): 775-778

[5]曹龍. 特殊條件下燃燒過程的機(jī)理研究[D]. 上海海事大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2005: 1-59

[6]胡海兵, 王彥, 王鋒, 等. 載人航天器艙內(nèi)火災(zāi)煙霧分布規(guī)律數(shù)值模擬研究[J]. 載人航天, 2012, 18(1): 55-59 Hu Haibing, Wang Yan, Wang Feng, et al. Yongming.Numerical simulation research of distribution of fire smoke within manned spacecraft’s cabin[J]. Manned Spaceflight, 2012, 18(1): 55-59

[7]McGrattan K, McDermott R, Hostikka S, et al. Fire dynamics simulator: User’s guide[M]. Version 5. Maryland:National Instute of Standards and Technology, 2010:1-219

[8]McGrattan K, Hostikka S, Floyd J, et al. Fire dynamics simulator: Technical Reference Guide[M]. Version 5.Maryland: National Instute of Standards and Technology,2010: 1-85

[9]McGrattan K, Rehm R, Baum H. Fire-driven flows in enclosures[J]. Journal of Computational Physics, 1994(110): 285-291

[10]McGrattan K, Baum H, Rehm R. Numerical simulation of smoke plumes from large oil fires[J]. Atmospheric Environment, 1996, 30(24): 4125-4136

[11]McGrattan K, Baum H, Rehm R. Large eddy simulation of smoke movement[J]. Fire Safety Journal, 1998(30):161-178

[12]Floyd J, McGrattan K, Hostikka S. CFD fire simulation using mixture fraction combustion and finite volume radiative heat transfer[J]. Journal of Fire Protection Engineering, 2003(13): 11-36

[13]Martin M P, Piomelli U, Candler G V. Subgrid-scale models for compressible large-eddy simulation[J]. Theoretical and Computational Fluid Dynamics, 2000, 13(5): 361-376

[14]劉奕, 郭印誠, 張會強(qiáng), 等. 大渦模擬及其在湍流燃燒中的應(yīng)用[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2001, 31(2): 215-226 Liu Yi, Guo Yincheng, Zhang Huiqiang, et al.Application of large eddy simulation to turbulent combustion[J]. Advances in Mechanics, 2001, 31(2):215-226

[15]鄒高萬, 劉順隆, 周允基, 等. 室火轟燃的大渦模擬[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 24(1): 10-14 Zou Gaowan, Liu Shunlong, Zhou Yunji, et al. Large eddy simulation of a compartment flashover fire[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2006, 24(1): 10-14

[16]Zhao Jianhe, Gao Ye, Wu Hongmei, et al. Large eddy simulation of smoke movement in a teaching building[C]∥Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management.Hong Kong, China, 2009: 2453-2457.

[17]趙建賀. 長通道內(nèi)熱浮力驅(qū)動(dòng)流流動(dòng)特征研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文, 2012: 16-29

[18]張孝謙, 胡文瑞. 載人航天器的安全防火[J]. 載人航天, 2009, (2): 22-28 Zhang Xiaoqian, Hu Wenrui. Fire safety concerns in spacecraft[J]. Manned Spaceflight, 2009, (2): 22-28

[19]沈?qū)W夫. 載人航天器的防火與滅火技術(shù)[J]. 中國空間科學(xué)技術(shù), 1994(1): 46-51 Shen Xuefu. Fire prevention and extinguishing technology for manned spacecraft[J]. Chinese Space Science and Technology, 1994(1): 46-51

[20]Friedman R, Sacksteder K R. Fire behavior and risk analysis in spacecraft, NASA-TM-100944[R]. N89-10111