通風(fēng)方式對(duì)大空間火災(zāi)吸氣式煙霧探測(cè)效果的影響

肖霞，石芳菲

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

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通風(fēng)方式對(duì)大空間火災(zāi)吸氣式煙霧探測(cè)效果的影響

肖霞，石芳菲

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

采用模擬仿真技術(shù)分析大空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不同機(jī)械通風(fēng)方式下，煙霧流動(dòng)的特征規(guī)律，在一個(gè)防火分區(qū)內(nèi)計(jì)算2種機(jī)械通風(fēng)方式下探測(cè)響應(yīng)時(shí)間。結(jié)果顯示，側(cè)面送風(fēng)方式響應(yīng)時(shí)間較頂上送風(fēng)方式長(zhǎng)，側(cè)面送風(fēng)對(duì)整個(gè)空間煙霧擴(kuò)散影響較大，在側(cè)面送風(fēng)方式下，可以采用較小間距的采樣孔布置方案，以提高探測(cè)效率，縮短響應(yīng)時(shí)間。

大空間；機(jī)械通風(fēng)；吸氣式煙霧探測(cè)；響應(yīng)時(shí)間

大型艦船內(nèi)大空間不執(zhí)行任務(wù)時(shí)，大空間往往沒(méi)有人員值守，一旦設(shè)備漏油并發(fā)生火災(zāi)，對(duì)艦船安全將產(chǎn)生致命的影響。大空間內(nèi)放置多項(xiàng)設(shè)備，遮擋現(xiàn)象嚴(yán)重[1]，為此采用主動(dòng)吸氣式感煙探測(cè)系統(tǒng)作為早期火災(zāi)探測(cè)報(bào)警的手段。吸氣式感煙探測(cè)器以其早期快速探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，非常適合安裝在大空間場(chǎng)所，其中安裝的吸氣式火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的具體設(shè)置要結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，也要考慮該場(chǎng)所的通風(fēng)系統(tǒng)的布置對(duì)其氣流和煙霧蔓延的影響。全尺度火災(zāi)試驗(yàn)是研究火災(zāi)煙霧蔓延和探測(cè)效果最直接的方法，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，產(chǎn)生的煙霧毒氣對(duì)人體和環(huán)境有害，且具有一定的危險(xiǎn)性。為此，考慮采用FDS仿真軟件分析通風(fēng)氣流影響下的煙霧流動(dòng)特征，計(jì)算吸氣式探測(cè)響應(yīng)時(shí)間[2]。

1 設(shè)計(jì)仿真計(jì)算模型

仿真的空間結(jié)構(gòu)模型為一個(gè)方空腔模型，模擬大空間某防火分區(qū)，模型尺寸設(shè)為長(zhǎng)×寬×高=59 m×27 m×8 m。艦船大空間存在2種通風(fēng)方式，上側(cè)面送風(fēng)，下側(cè)面回風(fēng)；頂上送風(fēng)，下側(cè)面回風(fēng)。通風(fēng)口均設(shè)有172個(gè)，送風(fēng)口86個(gè)，回風(fēng)口86個(gè)，根據(jù)實(shí)際換氣速度，計(jì)算出風(fēng)口風(fēng)速均3.44 m/s，風(fēng)口尺寸為0.25 m×0.25 m。見(jiàn)圖1。

靠近中心位置設(shè)置一個(gè)小型油盤，模擬大空間初期火災(zāi)，油盤尺寸為0.25 m×0.25 m。采用穩(wěn)定火源功率，為500 kW/m2，模擬計(jì)算時(shí)間為600 s[3]。根據(jù)《吸氣式感煙探測(cè)器設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范》(DB11/1026—2013)中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)探測(cè)系統(tǒng)布局，仿真模型中吸氣式煙霧探測(cè)器布置見(jiàn)圖2，其中黑色圓點(diǎn)為采樣孔，黑線為采樣管網(wǎng)，采樣孔之間間距為8 m。

2 計(jì)算分析

2.1 大空間火災(zāi)煙霧蔓延特征研究

大空間火災(zāi)時(shí)，煙霧蔓延的驅(qū)動(dòng)力有燃?xì)獾母×?、膨脹力及通風(fēng)系統(tǒng)的影響等[4]。由于空間高大開(kāi)闊，煙霧在氣流影響下彌散過(guò)程中的降溫效果明顯，將造成煙霧運(yùn)動(dòng)速度更趨緩慢，也將增加煙霧從火源位置到達(dá)采樣孔的時(shí)間，這些原因均將增加吸氣式煙霧探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間。因此，有效認(rèn)識(shí)通風(fēng)系統(tǒng)影響下煙霧蔓延的特征是煙霧探測(cè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[5-6]。在采樣孔高度即7.5 m高度計(jì)算煙霧濃度值。不同時(shí)刻采樣孔高度的煙霧濃度分布見(jiàn)圖3。

由圖3可知，無(wú)論哪種通風(fēng)方式，煙霧較難聚集，氣流對(duì)煙霧稀釋作用明顯，而這種作用，在側(cè)面送風(fēng)方式下更為明顯，在240 s時(shí)刻，大半空間彌漫有煙霧，而特定區(qū)域濃度相對(duì)較小，而頂上送風(fēng)方式下煙霧相對(duì)較集中，在特定區(qū)域濃度上升明顯，稀釋作用較弱，利于探測(cè)[7]。

在頂上送風(fēng)方式下，煙霧向上蔓延速度明顯較快，到達(dá)采樣孔時(shí)間較短，煙霧容易聚集，假設(shè)煙霧從同一位置采樣孔傳輸至主機(jī)時(shí)間0相同，則在頂上通風(fēng)方式時(shí)，探測(cè)效果明顯較好。

4個(gè)探測(cè)主機(jī)探測(cè)到的煙霧濃度變化見(jiàn)圖4。由圖4可得，在火災(zāi)持續(xù)發(fā)生過(guò)程中，煙霧濃度呈現(xiàn)振蕩趨勢(shì)，數(shù)值上升較小，說(shuō)明煙霧難以集聚。2種送風(fēng)方式靠近火源的探測(cè)主機(jī)1均首先達(dá)到報(bào)警閾值0.2%obs/m，頂上送風(fēng)方式下，探測(cè)主機(jī)3檢測(cè)濃度也上升明顯，由于頂上氣流切斷作用，煙霧向四周蔓延的趨勢(shì)不明顯，煙霧在主機(jī)1和3區(qū)域聚集，較易探測(cè)到火災(zāi)。在側(cè)面送風(fēng)方式下，探測(cè)主機(jī)3的檢測(cè)濃度也隨之略有變化，但由于側(cè)面通風(fēng)口的氣流驅(qū)動(dòng)作用，煙霧很快向四周蔓延，濃度降低，無(wú)法達(dá)到報(bào)警閾值。比較兩者濃度變化趨勢(shì)，煙霧在頂上送風(fēng)方式下較易蔓延至探測(cè)器采樣孔，并呈現(xiàn)局部聚集狀態(tài)[8]。

2.2 吸氣式煙霧探測(cè)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間計(jì)算和分析

吸氣式煙霧探測(cè)器主要由氣體采樣管網(wǎng)和探測(cè)主機(jī)2部分組成，氣體采樣管上設(shè)置有采樣孔，由于探測(cè)主機(jī)內(nèi)吸氣作用，管網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，形成一個(gè)穩(wěn)定的氣流。被保護(hù)區(qū)域內(nèi)的空氣樣品入采樣孔，被濾掉灰塵后進(jìn)入激光探測(cè)腔。在探測(cè)腔內(nèi)特定的位置上安裝光源及接收器，激光源發(fā)出的光束照射到空氣樣品上，經(jīng)三維成像將火災(zāi)凝團(tuán)與水分子團(tuán)、灰塵等粒子區(qū)分。如果樣品中有煙霧凝團(tuán)存在，光束將前向散射，散射光線經(jīng)凹面反光鏡反射到高靈敏度光接收器，所產(chǎn)生散射的強(qiáng)弱變化量接受測(cè)量后經(jīng)過(guò)處理計(jì)算，并結(jié)合測(cè)得的散射光信號(hào)脈沖數(shù)，空氣樣品中的煙霧凝團(tuán)量。這些數(shù)據(jù)經(jīng)“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”技術(shù)處理，對(duì)散的強(qiáng)度、角度、偏振等各參數(shù)綜合分析，與預(yù)先設(shè)定的報(bào)警閾值比較，如霧濃度達(dá)到警報(bào)級(jí)別則發(fā)出警報(bào)。

檢測(cè)吸氣式煙霧探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否為最優(yōu)，應(yīng)對(duì)其響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，不同通風(fēng)方式，同樣的采樣孔柵格大小，對(duì)探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間的影響進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2種通風(fēng)方式探測(cè)時(shí)間計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，側(cè)面送風(fēng)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間較頂上送風(fēng)長(zhǎng)，側(cè)面送風(fēng)對(duì)整個(gè)空間煙霧擴(kuò)散速度影響較大，由于大空間火災(zāi)煙霧在較短時(shí)間內(nèi)向整個(gè)空間蔓延，在探測(cè)器內(nèi)煙霧濃度難以上升達(dá)到報(bào)警值，因此，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。在側(cè)面送風(fēng)方式下，可采用較密的采樣孔柵格能有效縮短探測(cè)響應(yīng)時(shí)間。在送風(fēng)方式改變成側(cè)面送風(fēng)的情況下，可以采用較密的采樣孔布置方案，或者調(diào)整探測(cè)器的靈敏度，以提高探測(cè)效率，縮短響應(yīng)時(shí)間。

3 結(jié)論

1)無(wú)論何種通風(fēng)方式，發(fā)生火災(zāi)時(shí)大空間內(nèi)煙霧較難聚集，較難達(dá)到探測(cè)報(bào)警濃度閾值，采用較密的采樣孔柵格能有效縮短探測(cè)響應(yīng)時(shí)間，提高探測(cè)效率。

2)該模擬項(xiàng)目只針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的氣流對(duì)探測(cè)效果的影響，其他遮擋、運(yùn)動(dòng)等因素的影響將在后續(xù)工作中不斷完善。

[1] LEBLANE D. Fire environments typical of navy ships[D]. Worcester Polytechnic Institute，1998：19-22．

[2] McGRATTAN K, KLEIN B．Fire dynamics simulator(version 5)user’s guide[M]．National Institute of Standards and Technology，U.S. Department of Commerce，2008.

[3] McGRATTAN K， HOSTIKKA S. Fire dynamics simulator(Version 5) technical reference guide[M]．National institute of standards and technology.U．S．Department of Commerce，2008．

[4] 蘇石川，王亮，聶宇宏，等.某船舶機(jī)艙火災(zāi)發(fā)展過(guò)程的數(shù)值模擬與策略分析[J].消防科學(xué)與技術(shù).2009，28(1)：15-19．

[5] 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．

[6] 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．

[7] 鄭春生,船舶火災(zāi)及滅火救援的探討[J]，消防科學(xué)與技術(shù)，2011(6):536-540.

The Influence of Ventilation Mode on Aspirating Smoke Detection for Large Space Fire

XIAO Xia, SHI Fang-fei

(No.726 Research Institute of China Shipbuilding Industrial Corporation, Shanghai 201108, China)

By modeling and simulation of the fire scenario for large space, the characteristics of smoke flow with different mechanical ventilation mode was analyzed, and the detection response times using two ventilation modes in the same fire compartment was calculated. Results demonstrated that the response time with sidewall air supply is longer than roof air supply, and the way of sidewall air supply plays an important role in the smoke spread in whole space, with which the smaller distance layout pattern of sampling aperture could be used to improve the detection efficiency and reduce the response time.

large space; mechanical ventilation; aspirating smoke detection; response time

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.020

2017-01-18

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

肖霞(1985—)，女，碩士，工程師

研究方向：艦船火災(zāi)探測(cè)技術(shù)

U662

A

1671-7953(2017)03-0091-03

修回日期：2017-03-07