迎面風對航母甲板火災影響分析

朱旭程，袁書生，曾 亮

（海軍航空大學，山東煙臺264001）

航母發(fā)展至今已成為現(xiàn)代藍水海軍不可或缺的一種作戰(zhàn)武器，在海上控制、力量投送、戰(zhàn)略威懾及一些非戰(zhàn)爭運用中發(fā)揮著重要作用。航母甲板火災是影響航母和艦載機安全的一個重要因素[1]。典型航母甲板長度約340 m、寬約76 m，在這樣不太大的區(qū)域內(nèi)，要完成艦載機加油、起飛與著艦和艦面勤務(wù)保障等任務(wù)，特別是在加油和起飛著艦過程中極易發(fā)生火災。研究表明[2]，飛機在航母甲板上失事后，燃油散流面積約80～120 m2，油層厚度平均2～3cm，火焰區(qū)溫度達1 000℃以上，其輻射熱使消防員難以近距離接近火場。機載彈藥一般耐火時間約3min，甲板滅火對艦上人員將是非常大的考驗[3]。燃油散流火為油池火災，液體燃料受到空間火蔓延的熱反饋蒸發(fā)為氣體可燃物，熱氣體可燃物受浮力作用向上運動，與從環(huán)境卷吸來空氣混合、燃燒形成空間火，甲板火災受風的影響很大。

為開展航母甲板火災特性與滅火技術(shù)研究，本文應(yīng)用低速氣流運動控制方程組和湍流燃燒大渦模擬方法對航母甲板油料火災進行CFD數(shù)值仿真計算，研究不同迎面風速下此類火災行為的一些特征和性質(zhì)，對指導航母甲板火滅火技術(shù)研究具有一定借鑒意義。

1 航母甲板火災煙氣運動分析模型

1）甲板火災煙氣運動DES方程。航母甲板火災流場是一種結(jié)構(gòu)復雜的燃燒湍流，對瞬時湍流控制方程進行時均平滑濾波后[4]，可建立火災煙氣運動大渦模擬（LES）方程：

式（2）～（4）中：τ、q、Js分別表示湍流應(yīng)力、熱通量、質(zhì)量通量。

湍流應(yīng)力通常采用亞格子模型求解[5-6]，熱通量和質(zhì)量通量渦擴散模型求解[7]。

將火災煙氣運動LES方程在交錯網(wǎng)格系上離散，在空間維上采用二階精度差分格式計算，在時間維上采用顯式二階精度預測校正格式計算，采用局部時間步長加快收斂速度[8]，計算步驟如圖1所示。

2）計算域與航母幾何模型的創(chuàng)建。計算航母模型選取與美企業(yè)號[9]航母外形，取甲板長、寬和甲板距離水面高度分別為333 m、78 m、20 m，艦島長寬高分別為20 m、12 m、20 m，艦島中心距離甲板前沿190 m。設(shè)飛機漏油位置為甲板中心線上、距離甲板前沿185 m處，長寬均為10 m，厚度為2cm。計算區(qū)間：長×寬×高=420 m×200 m×100 m，見圖2。模型甲板前沿位于對稱垂面中（y=0 m，x=50 m）位置。

3）計算網(wǎng)格生成與條件參數(shù)設(shè)置。采用FDS6.0軟件[10]生成計算網(wǎng)格，網(wǎng)格結(jié)點數(shù)目為840×400×200。計算中不考慮海浪的影響，假設(shè)海面為水平的固體壁面。海面處大氣溫度定義為20℃，計算域入口風速根據(jù)工況條件設(shè)置，并加上均勻分布隨機噪聲來模擬風速擾動[11]，出口邊界和側(cè)面采用自由邊界，上表面采用滑移邊界。

4）附加模型。燃燒反應(yīng)流是一種多相湍流，需補充定義源項、輸運方程等一些附加模型[12]。這里，采用混合分數(shù)方法[13]計算燃燒湍流，氣流壓強計算式為：

包括背景壓強和誘導壓強。

液體燃料表面燃料蒸汽體積分數(shù)計算式為[14]：

式（6）中：hv為蒸發(fā)潛熱；Wf為分子量；Ts為表面溫度；Tb為沸點。

2 航母甲板火災流場特性分析

為了研究風速對航母甲板油料火災的影響，計算工況如表1所示。圖3給出了油池附近甲板上熱流密度隨時間變化的模擬結(jié)果。

表1 各工況參數(shù)Tab.1 Parameter setting of each case

由圖3 a）可以看到，當無風時，油池火災引起的航母甲板上各處的熱流密度基本對稱，火災主過程的釋熱率接近時均穩(wěn)定，時間長達50 s，隨后緩慢下降。由圖3 b）、c）和d）可以看到，在火災初期迎面來風或風速有較小變化時，火災釋熱率的變化趨勢基本一致，t=10 s后出現(xiàn)了明顯的差異，當存在迎面來風后，油池火災引起的航母甲板上各處的熱流密度完全不對稱，背風側(cè)甲板上熱流密度明顯高于迎風側(cè)，說明火焰偏向艦尾，隨著來風速度的增加，這一偏差顯著增加；當風速1 m/s時，存在艦島影響，油池左右側(cè)甲板熱流密度略有差異；火災主過程的釋熱率時均變化不大，但呈現(xiàn)出略有增大的趨勢，到達最大時均釋熱率后，釋熱率快速下降一段時間，然后變得緩慢；當風速3 m/s、5 m/s時，艦島影響基本降為零，油池左右側(cè)甲板上的熱流密度基本相同?；馂闹鬟^程的釋熱率時均變化也不大，但呈現(xiàn)出略有減小的趨勢，經(jīng)過約50 s后，釋熱率快速下降。對比4種工況還可以看出，無風時甲板油池火災的燃油基本上是一次燒完，當出現(xiàn)迎面來風后，火災過程將出現(xiàn)2個階段。

為了說明不同迎面來風速度對火焰蔓延及煙氣運動的影響，圖4給出了t=10 s時，4個工況下甲板對稱面（y=0）上煙氣壓強分布的模擬結(jié)果。

由圖4可見，當來風速度為1 m/s時，甲板油池火災對氣流壓強分布的影響不大，火焰的傾角約為69°；當來風速度為3 m/s時，甲板油池火災將在甲板上方產(chǎn)生正壓、負壓間斷氣流區(qū)域，來風速度越大，這一現(xiàn)象越明顯，火焰的傾角約為56°；當來風速度為5 m/s時，火焰的傾角約為26°?；鹧鎯A斜角度與來風速度成非線性關(guān)系。由于較大來風速度使火焰偏斜向油池后側(cè)，空間火向油池的熱反饋降低；當來風速度較小時，火焰偏斜不大，同時增加了對火場的供氧，所以出現(xiàn)了火災釋熱率非單調(diào)變化特點。

3 實驗分析與結(jié)果驗證

為驗證理論計算結(jié)果并進一步了解甲板火災煙羽非定常特性，進行了艦模甲板火災流場實驗。實驗原理見圖5，實驗模型采用特爾博模型公司定制的1/720的縮比艦模。

實驗風速在0～5 m/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，燃燒液體庚烷代替飛機漏油，通過激光PIV系統(tǒng)對艦模流場流態(tài)進行觀測。PIV系統(tǒng)硬件設(shè)備使用LaVision公司產(chǎn)品，主要包括[14]：照明激光器、同步控制器、圖像采集板、高速數(shù)字相機和計算機，如圖6所示。

激光器為Nd：Yag雙脈沖式激光器，使用2臺脈沖激光器經(jīng)過光束合束器通過一個光路出口并且嚴格空間上重合地發(fā)射出來，經(jīng)過導光臂和片光源系統(tǒng)，產(chǎn)生照明流場的脈沖片光源。數(shù)字相機通過外部觸發(fā)一次瞬間捕捉2幀圖像。同時，將捕捉到的一系列圖像數(shù)據(jù)通過圖像采集板實時地傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)存中。觸發(fā)信號由同步控制器提供，從而保持與脈沖激光器的完全同步。同步控制器通過內(nèi)部時基產(chǎn)生周期的脈沖觸發(fā)信號，經(jīng)過多個延時通道同時產(chǎn)生多個經(jīng)過延時的觸發(fā)信號，用來控制激光器、數(shù)字相機和圖像采集板，使它們工作在嚴格同步的信號基礎(chǔ)上，保證各部分協(xié)調(diào)工作。計算機用于存儲圖像采集板提供的圖像數(shù)據(jù)，通過粒子圖像測速系統(tǒng)軟件可以實時地完成速度場的計算、顯示和存儲。計算機硬件包括數(shù)字相機實時控制模塊、圖像采集板實時控制模塊。軟件包括：Davis 8.1數(shù)字圖像采集和處理模塊、實時粒子圖像測速計算和粒子跟蹤測速計算模塊、粒子圖像分析軟件。軟件部分集成了粒子圖像測速（PIV）、粒子跟蹤測速（PTV）、濃度場分析和粒徑分析等功能模塊；系統(tǒng)可計算互相關(guān)計算圖像中部分區(qū)域及全部區(qū)域的速度；支持大量圖像的批處理；具有設(shè)定分區(qū)自動計算功能；支持向量單點修正、單點賦值、向量濾波、修正所有向量；可對圖像進行灰度調(diào)整、濾波、翻轉(zhuǎn)、讀值、模糊、放大縮小、對比度調(diào)整等通用數(shù)字圖像處理；實時分析圖像中顆粒的粒徑分布情況，包括：顆粒的等效圓直徑大小、空間位置坐標、等效長方形參數(shù)、顆粒截面面積等參數(shù)；包括圖像灰度濃度場分析工具：分析圖像灰度的空間分布變化得到相對濃度分布，并通過標定實現(xiàn)非線性絕對濃度場的測量；同時包括顆粒數(shù)目濃度場分布分析工具：實時分析空間中各區(qū)域包含各種直徑顆粒數(shù)目的分布情況；兼容Tecplot流場分析軟件和Origin數(shù)學分析軟件。

應(yīng)用激光PIV顯示系統(tǒng)分別研究了迎面來風速度分別為0 m/s、3 m/s、5 m/s情況下甲板上方對稱面內(nèi)煙粒子速度分布（見圖7），觀測計算時間為點火后的15～50 s范圍。在無風情況下v=0 m/s，火焰根部位于油池正上方，火焰存在瞬間波動，火焰和煙羽有較強的向上運動趨勢，煙氣分布前后基本對稱。當風速v=3 m/s時，火焰根部向后方偏移，等效偏移量約8 m左右，燃燒主過程基本時均穩(wěn)定；受來風影響，火焰和煙羽產(chǎn)生順風運動趨勢，向艦尾方向偏斜，煙羽偏向順風方向傾角約為60°；煙羽未發(fā)生明顯擺動，說明艦島影響不大。當風速v=5 m/s時，火焰和煙羽偏角隨風速增加明顯偏大，煙羽偏向順風方向傾角約為30°，火焰根部等效偏移量約12 m左右。實驗與計算結(jié)果對比情況如表2所示，說明兩者符合較好。

表2 實驗結(jié)果與計算結(jié)果對比Tab.2 Comparison between experimental results and computed results

4 結(jié)束語

航母甲板火災流場數(shù)據(jù)十分缺乏，本文綜合運用CFD技術(shù)和激光PIV顯示技術(shù)研究了不同迎面風速工況下航母甲板油料火災的蔓延與煙氣流動規(guī)律，研究結(jié)果對于航母甲板滅火技術(shù)優(yōu)化和艦載航空裝備的安全性分析有較大實用價值。

[1]劉鵬翔，王兵.美國航母火災歷史及啟示[J].艦船科學技術(shù)，2010，32（9）：133-139.LIU PENGXIANG，WANG BING.History of US aircraft carriers fires and its revelation[J].Ship Science and Technology，2010，32（9）：133-139.（in Chinese）

[2]孫笑奇，田振光.航母飛行甲板防爆炸滅火系統(tǒng)[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2009，21（10）：36-38.SUN XIAOQI，TIAN ZHENGUANG.Anti explosion and fire extinguishing system for aircraft carrier flight deck[J].Fire Technique and Products Information，2009，21（10）：36-38.（in Chinese）

[3]牛小強.航空母艦飛行甲板消防設(shè)施研究[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2013，25（1）：33-37.NIU XIAOQIANG.Research on fire protection facilities of aircraft carrier flight deck[J].Fire Technique And Products Information，2013，25（1）：33-37.（in Chinese）

[4]袁書生，朱旭程，趙元立，等.艦艇動力裝置排煙水霧降溫的大渦模擬[J].系統(tǒng)仿真學報，2014，26（3）：537-542.YUAN SHUSHENG，ZHU XUCHENG，ZHAO YUANLI，et al.Large eddy simulation to cool shipboard engine exhaust with fine water mist[J].Journal of System Simulation，2014，26（3）：537-542.（in Chinese）

[5]崔桂香，周海兵，張兆順，等.新型大渦數(shù)值模擬亞格子模型及應(yīng)用[J].計算物理，2004，21（3）：289-293.CUI GUIXIANG，ZHOU HAIBING，ZHANG ZHAOS-HUN，et al.A new subgrid eddy viscosity model and its application[J].Chinese Journal of Computational Physics，2004，21（3）：289-293.（in Chinese）

[6]VREMAN B.An eddy-viscosity subgrid-scale model for turbulent shear flow：Algebraic theory and applications[J].Physics of Fluids，2004，16（10）：3670-3681.

[7]LI W，YU K，YUAN X，et al.A Reynolds mass flux model for gas separation process simulation：I.Modeling and validation[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2015，23（7）：1085-1094.

[8]李孝偉，王正裕.遞歸投影方法（RPM）及其在流場數(shù)值模擬中的加速收斂性能研究[J].空氣動力學學報，2010，28（1）：17-22.LI XIAOWEI，WANG ZHENGYU.The RPM method and the investigation of its accelerating convergence for flow simulations[J].Acta Aerodynamica Sinica，2010，28（1）：17-22.（in Chinese）

[9]宗智，姜宗玉，吳宗鐸.“企業(yè)”號航空母艦耐波性數(shù)值計算研究[J].中國艦船研究，2011，6（2）：19-24.ZONG ZHI，JIANG ZONGYU，WU ZONGDUO.Numerical study on the seakeeping performance of USS enterprise[J].Chinese Journal of Ship Research，2011，6（2）：19-24.（in Chinese）

[10]FLOYD J，F(xiàn)ORNEY G，HOSTIKKA S，et al.Fire dynamics simulator（version 6）-user’s guide[M].Washington D.C.：NIST Special Publication，2012：65-73.

[11]FLOYD J，F(xiàn)ORNEY G，HOSTIKKA S，et al.Fire dynamics simulator（version6）-technical reference guide[M].Washington D.C.：NIST Special Publication，2012：37-41.

[12]胡勇，蔣勇，邱榕，等.湍流擴散火焰中對基于混合分數(shù)的湍流燃燒模型的數(shù)值研究[J].燃燒科學與技術(shù)，2011，17（2）：147-154.HU YONG，JIANG YONG，QIU RONG，et al.Mixturefraction-based turbulent combustion model in turbulent diffusion flames[J].Journal of Combustion Science and Technology，2011，17（2）：147-154.（in Chinese）

[13]曹紅軍，張會強，陳昌麒，等.混合分數(shù)PDF及其簡化模型的大渦模擬研究[J].工程熱物理學報，2012，33（8）：1441-1444.CAO HONGJUN，ZHANG HUIQIANG，CHEN CHANGQI，et al.Study on large eddy simulation of mixed fractional PDF and its simplified model[J].Journal of Engineering Thermo Physics，2012，33（8）：1441-1444.（in Chinese）

[14]GRANT G，BRENTON J，DRYSDALE D.Fire suppression by water sprays[J].Progress in Energy&Combustion Science，2000，26（2）：79-130.

[15]許相輝，蔣甲利，牛中國，等.圓柱尾流場的Tomo-PIV測量[J].實驗流體力學，2015，29（5）：60-64 XU XIANGHUI，JIANG JIALI，NIU ZHONGGUO，et al.Measurements of cylinder's wake by Tomo-PIV[J].Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2015，29（5）：60-64.（in Chinese）