豎直開(kāi)口船舶艙室火災(zāi)煙氣流動(dòng)蔓延特性理論和仿真分析

丁立斌 程志剛

摘要：以豎直開(kāi)口艙室船舶油池火災(zāi)為研究對(duì)象，在溢流煙氣流動(dòng)蔓延模型的基礎(chǔ)上建立溢流煙氣點(diǎn)源簡(jiǎn)化模型;采用火災(zāi)仿真軟件FDS對(duì)艙室火場(chǎng)重構(gòu)，對(duì)豎直開(kāi)口處煙氣流動(dòng)特性以及鄰艙內(nèi)火場(chǎng)特性進(jìn)行仿真分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)點(diǎn)源簡(jiǎn)化模型的適用性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：船舶艙室;計(jì)算和驗(yàn)證

船舶火災(zāi)以其高溫、毒性和遮光性影響火災(zāi)救援和人員逃生，嚴(yán)重威脅船舶生命力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)船舶腔室火災(zāi)開(kāi)展了廣泛研究，主要集中于腔室火災(zāi)燃燒特性和煙氣填充規(guī)律。其中，毗鄰艙室（通道）間的火災(zāi)煙氣流動(dòng)與蔓延相關(guān)研究?jī)H涉及開(kāi)口溢流煙氣特性研究，并未考慮其對(duì)鄰艙（通道）的影響。

本文以船舶豎直開(kāi)口艙室火災(zāi)為例，研究起火艙對(duì)毗鄰艙室的影響，進(jìn)而為船舶火災(zāi)消防策略制定提供參考：（1）建立豎直開(kāi)口艙室和鄰艙煙氣流動(dòng)模型;（2）對(duì)開(kāi)口溢流煙氣流動(dòng)特征進(jìn)行建模分析;（3）對(duì)煙氣流動(dòng)蔓延模型的適用性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

一、船舶艙室煙氣填充過(guò)程

在豎直開(kāi)口艙室中，火災(zāi)煙氣在熱浮力作用下通過(guò)羽流卷吸沿羽流中心線(xiàn)垂直向上，在頂棚下方形成煙羽流區(qū)域。隨著熱煙氣的積聚，這一羽流區(qū)域在重力和壓力作用下通過(guò)煙氣沉降向艙室底部蔓延。當(dāng)煙氣層厚度位于豎直開(kāi)口內(nèi)時(shí)，火災(zāi)煙氣在壓差作用下以開(kāi)口溢流的形式向鄰艙蔓延，通過(guò)頂棚射流在鄰艙內(nèi)形成熱煙羽流區(qū)域，如圖1所示。

二、溢流煙氣流動(dòng)模型

在船舶艙室火災(zāi)中，開(kāi)口溢流是火災(zāi)蔓延的基礎(chǔ)，也是煙氣擴(kuò)散和火場(chǎng)溫度的關(guān)鍵因素。因此，必須研究開(kāi)口溢流煙氣流動(dòng)規(guī)律，分析其對(duì)艙室間煙氣流動(dòng)特性的影響。

（一）豎直開(kāi)口煙氣流動(dòng)模型

本文采用國(guó)內(nèi)外豎直開(kāi)口溢流煙氣流動(dòng)模型對(duì)開(kāi)口煙氣特征參數(shù)進(jìn)行理論建模：

（二）豎直開(kāi)口點(diǎn)源簡(jiǎn)化模型

在艙室豎直開(kāi)口處溢流煙氣呈現(xiàn)明顯的分層，上層為熱煙氣在開(kāi)口處形成穩(wěn)定煙羽流區(qū)，如圖2所示。在池火虛點(diǎn)源假設(shè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)點(diǎn)源羽流模型：

三、理論計(jì)算和仿真驗(yàn)證

（一）開(kāi)口艙室CFD仿真模型

選用直徑為0.2m、0.4m、0.6m、0.8m和1.0m的油池火模型，火源位于標(biāo)準(zhǔn)艙室中心位置。采用t2火模擬實(shí)船庚烷油池火災(zāi)，火源特征參數(shù)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定（見(jiàn)表1）;參考網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)? ? ? ? ? ? ? ? ?（其中? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ），火源區(qū)、開(kāi)口附近區(qū)域網(wǎng)格局部加密。仿真過(guò)程中環(huán)境參數(shù)設(shè)置為溫度293K，壓力1.0×105Pa，密度1.2kg/m3，，定壓比熱容1.0kJ/kg·k。

（二）CFD仿真結(jié)果分析

仿真過(guò)程中共布置了4支熱電偶樹(shù)，同支熱電偶樹(shù)上不同熱電偶間隔0.1m。此外，在開(kāi)口處布置了質(zhì)量流探頭對(duì)進(jìn)出口氣體流量進(jìn)行測(cè)量，如圖4所示。

（三）煙氣流動(dòng)參數(shù)對(duì)比分析

將煙氣質(zhì)量流率和煙氣溫升等進(jìn)行計(jì)算并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析（如表2）可知：（1）豎直開(kāi)口處煙氣的質(zhì)量流率和溫升的理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果具有較大的一致性;（2）鄰艙內(nèi)頂棚最大溫升理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果在趨勢(shì)上具有一致性。（3）在理論計(jì)算和仿真分析過(guò)程中開(kāi)口附近頂棚區(qū)域溫升均大于25℃，因此可通過(guò)在開(kāi)口附近布置火災(zāi)溫度探測(cè)裝置進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警和火源艙識(shí)別，為火災(zāi)救援提供參考。

四、結(jié)語(yǔ)

本文在豎直開(kāi)口船舶艙室火災(zāi)流動(dòng)蔓延模型的基礎(chǔ)上，建立了開(kāi)口點(diǎn)源簡(jiǎn)化模型，并對(duì)這一模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：

1.開(kāi)口點(diǎn)源簡(jiǎn)化模型可應(yīng)用于豎直開(kāi)口火源艙附近艙室火災(zāi)危害性評(píng)估，能夠直觀反映溢流煙氣流動(dòng)蔓延規(guī)律;

2.鄰艙內(nèi)近火源艙區(qū)域受火源艙影響顯著，因此，可通過(guò)有效布置火災(zāi)探測(cè)裝置尤其是溫度探測(cè)裝置達(dá)到船舶火災(zāi)預(yù)警和火災(zāi)識(shí)別的目的。

此外，本文是通過(guò)火源熱釋放速率理論計(jì)算進(jìn)行艙室火災(zāi)重構(gòu)的，因此仍需開(kāi)展相關(guān)課題的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)豎直開(kāi)口艙室火災(zāi)煙氣流動(dòng)模型進(jìn)行深入探討分析。

參考文獻(xiàn)：

霍然，胡源，李元洲.建筑火災(zāi)安全工程導(dǎo)論[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

朱秋紅，蔡成濤，趙繼偉.基于雙層區(qū)域模型的艙室火災(zāi)模擬技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2013，（03）：504-508.

馬焱.船舶機(jī)艙火風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[M].天津大學(xué)，2007.

作者簡(jiǎn)介：丁立斌（1984—），男，工程師，主要研究方向：艦船火災(zāi)安全防護(hù)。