不同頂棚高度下船舶狹長(zhǎng)通道細(xì)水霧滅火研究

蘇石川，陳 露，王 亮，穆 鑫，耿珊珊，曹佳斌

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

近年來(lái)船舶火災(zāi)事故頻發(fā)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，船舶火災(zāi)占海難事故總數(shù)的11%。我國(guó)港航系統(tǒng)平均每年發(fā)生船舶火災(zāi)事故約24 起，造成直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)千萬(wàn)元[1]。由于船舶空間的有限性，狹長(zhǎng)通道常見(jiàn)于船艙過(guò)道及船員起居室內(nèi)。而現(xiàn)有文獻(xiàn)[2 – 6]表明，狹長(zhǎng)空間可造成火災(zāi)污染物的快速蔓延。同時(shí)，由于不同船型的需求，狹長(zhǎng)通道可設(shè)有不同頂棚高度，但頂棚高度卻對(duì)火災(zāi)頂棚射流的發(fā)展具有重要的影響。因此，不同頂棚高度的狹長(zhǎng)通道影響了船舶火災(zāi)的發(fā)展及人員逃生，如何建立安全性強(qiáng)、效率性高的船舶通道滅火系統(tǒng)對(duì)船舶火災(zāi)安全工程具有重要的意義。

細(xì)水霧滅火因其具有無(wú)環(huán)境污染、滅火迅速、用水量少以及對(duì)保護(hù)對(duì)象破壞性較小的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛青睞[7]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)細(xì)水霧抑制火災(zāi)展開了大量的研究。Makoto Murakami 等[8]模擬了隧道細(xì)水霧幕對(duì)人員逃生的影響，認(rèn)為細(xì)水霧幕可以抑制煙氣蔓延，保證人們的視線范圍有利于人員疏散。Horst Starke[9]實(shí)驗(yàn)研究了隧道內(nèi)細(xì)水霧滅火，發(fā)現(xiàn)釋放細(xì)水霧后，火焰熱釋放率迅速降低，隧道氧氣濃度降到18%以下，火災(zāi)蔓延受到控制。Jianhe Zhao 等[10]模擬研究了細(xì)水霧粒徑、霧化錐角、以及噴霧壓力對(duì)船舶機(jī)艙火災(zāi)的抑制效果，發(fā)現(xiàn)霧滴直徑在200～400 μm 之間效果較好，小霧化錐角、大噴霧壓力可以增強(qiáng)火焰冷卻。李夢(mèng)[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了細(xì)水霧技術(shù)在隧道中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)能有效降低火場(chǎng)溫度、CO 濃度和熱輻射強(qiáng)度，有利于阻止隧道火災(zāi)蔓延和保障火場(chǎng)安全。劉乃玲等[12]模擬研究細(xì)水霧對(duì)狹長(zhǎng)空間的降溫效果，發(fā)現(xiàn)噴入細(xì)水霧后空間內(nèi)各斷面的溫度均有所降低，且噴霧量越大降溫效果越明顯。以上研究成果加深了人們對(duì)細(xì)水霧抑制狹長(zhǎng)通道內(nèi)火災(zāi)蔓延的理解，但上述研究對(duì)象較多局限于隧道狹長(zhǎng)空間，這與船舶狹長(zhǎng)通道在幾何尺度、通風(fēng)環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等多方面存在不同點(diǎn)。因此，細(xì)水霧作用下的船舶狹長(zhǎng)通道內(nèi)的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律仍需進(jìn)一步研究。

本文針對(duì)不同頂棚高度的船舶狹長(zhǎng)通道，運(yùn)用大渦模擬技術(shù)，對(duì)細(xì)水霧作用下的火災(zāi)發(fā)展變化進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)熱釋放率、氧氣濃度、煙氣層分區(qū)及溫度場(chǎng)的分析，探討細(xì)水霧抑制條件下狹長(zhǎng)通道內(nèi)火災(zāi)演變的特性。

1 模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

火場(chǎng)中氣體流動(dòng)基本守恒方程如下：

質(zhì)量守恒方程

組分守恒方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

理想氣體狀態(tài)方程

式中：ρ 為密度，kg/m3；為速度矢量，m/s；Di為組分i 的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)；Yi為組分i 的質(zhì)量相對(duì)濃度；W′′′為組分的反應(yīng)速率，mol/（L·s）；p 為壓力，Pa；g 為重力加速度，m/s2；為作用在流體上的外力，N；τ 為粘性力張量，N；h 為比焓，J/kg；k 為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；R 為氣體狀態(tài)常數(shù)，值為8.314。

1.2 物理模型建立

圖1 為某船舶典型T 型狹長(zhǎng)通道結(jié)構(gòu)圖，橫向通道長(zhǎng)9 m，豎向通道長(zhǎng)15.2 m，寬均為1.2 m。橫向通道左側(cè)口封閉，豎向通道出口均為自由通風(fēng)。基于火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS，圖2 為根據(jù)圖1 結(jié)構(gòu)圖所建立的計(jì)算模型，該模型頂棚高度分別為1.8 m，2.6 m，3.4 m，4.3 m。細(xì)水霧噴頭共9 個(gè)，位于頂棚中間下方0.1 m處（分布見(jiàn)圖1），其相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

本文模擬以正庚烷為燃料，油池體積為 0.4 m×0.4 m× 0.1 m，位于橫向通道內(nèi)噴頭的正下方。正庚烷物性參數(shù)如表2 所示，根據(jù)文獻(xiàn)[13]的方法可得最大熱釋放率為Q=800 kW。正庚烷燃燒60 s 時(shí)間后釋放細(xì)水霧。

圖1 某船舶典型T 型狹長(zhǎng)通道結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Typical T-shaped narrow passage structure diagram of a ship

表1 細(xì)水霧參數(shù)Tab.1 Water mist parameters

表2 正庚烷物性參數(shù)Tab.2 N-heptane physical parameters

1.3 網(wǎng)格劃分

火源特征尺寸D*計(jì)算方法如下：

式中：Q 為火源功率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp定壓比熱容，kJ/（kg·K）；T∞環(huán)境溫度，K。

當(dāng)庚烷燃燒時(shí)功率Q=800 kW，此時(shí)計(jì)算的特征尺寸D*為0.85 m。文獻(xiàn)[14]認(rèn)為當(dāng)D*/δx 比值在4～16 時(shí)模擬精度較高，其中δx 為網(wǎng)格尺寸。對(duì)應(yīng)計(jì)算所需網(wǎng)格尺寸范圍為0.053～0.213 m，本文選取0.1 m 網(wǎng)格尺寸。

2 結(jié)果與分析

2.1 火焰熱釋放率及熱輻射強(qiáng)度變化

圖3（a）為不同頂棚下，火源熱釋放率隨時(shí)間變化曲線。在燃燒初期燃料熱釋放率迅速增長(zhǎng)到800 kW。自由燃燒工況下隨著氧氣消耗，熱釋放速率出現(xiàn)小范圍波動(dòng)直至燃料殆盡，燃燒速率降到0。釋放細(xì)水霧后熱釋放速率迅速下降，在釋放細(xì)水霧40 s 之后熱釋放速率基本降到穩(wěn)定值。1.8 m 高通道釋放細(xì)水霧之后熱釋放速率迅速降到60 kW 左右，火災(zāi)得到了很好的控制；隨著頂棚高的增加，釋放細(xì)水霧之后熱釋放速率降低量逐漸減少，火災(zāi)受到抑制但火焰并未熄滅而是以低燃燒速率燃燒。從頂棚高度為3.4 m 和4.3 m 通道熱釋放速率可以看出穩(wěn)定后的熱釋放速率并不是一直隨著高度的增加而增加，當(dāng)高度增加到一定程度之后繼續(xù)增大頂棚高度，熱釋放速率基本保持不變。圖3（b）為釋放細(xì)水霧對(duì)火焰熱輻射強(qiáng)度的影響?？梢钥闯?，自由燃燒工況下熱輻射強(qiáng)度一直維持在250 kW左右，在60 s 釋放細(xì)水霧后熱輻射強(qiáng)度大幅衰減。結(jié)合圖3（a）可以看出，熱輻射強(qiáng)度與熱釋放率變化相一致，在火焰熱釋放率降低的同時(shí)熱輻射強(qiáng)度也隨之減弱，且隨著頂棚高度降低細(xì)水霧對(duì)火焰熱輻射屏蔽效果越好。

圖3 不同頂棚高度下細(xì)水霧對(duì)熱釋率及熱輻射強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of water mist on heat release rate and heat radiation intensity under different ceiling heights

2.2 煙氣濃度及其分層變化

1）煙氣濃度變

圖4（a）為不同頂棚高度下，橫向通道內(nèi)氧氣濃度隨時(shí)間變化關(guān)系?？梢钥闯觯S著燃燒開始，O2濃度逐漸下降。大約20 s 之后因燃燒穩(wěn)定后通風(fēng)量和耗氧量達(dá)到平衡，O2濃度趨于穩(wěn)定。自由燃燒工況下O2濃度會(huì)維持在19%左右，直到燃料殆盡后O2濃度恢復(fù)到環(huán)境值。而在60 s 后釋放細(xì)水霧，通道內(nèi)O2濃度再次迅速下降，且隨著通道高度的降低O2濃度趨于的穩(wěn)定值越小，越有利于控制火災(zāi)。1.8 m 和2.6 m 高的通道，O2濃度已經(jīng)降到14%，由于這時(shí)通道內(nèi)的O2濃度較低而不足以支持燃料繼續(xù)燃燒，可以認(rèn)為火焰已將近熄滅。圖4（b）為CO 隨時(shí)間的變化曲線。自由燃燒時(shí)，O2濃度較高，燃燒比較充分，產(chǎn)生的CO 較少；施加細(xì)水霧之后，由于氧氣濃度迅速降低使得火焰產(chǎn)生不完全燃燒，CO 濃度迅速增長(zhǎng)，通道頂棚越低細(xì)水霧霧動(dòng)量越大，對(duì)火焰的沖擊作用越強(qiáng)烈，產(chǎn)生的CO 越多。

圖4 橫向通道內(nèi)煙氣濃度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.4 The relationship between smoke concentration and time in the transverse passage

2）煙氣層分區(qū)

圖5 為不同頂棚高度下，煙氣層分區(qū)隨時(shí)間變化關(guān)系。煙氣層分區(qū)是指通道上半層的高溫?zé)煔馀c下半層的常溫氣體之間相對(duì)位置。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠诟×ψ饔孟孪蛏线\(yùn)動(dòng)，受頂棚阻擋后轉(zhuǎn)向四周蔓延，一段時(shí)間后煙氣會(huì)發(fā)生向下沉降；圖5（a）顯示自由燃燒工況下，大約60 s 之后煙氣層趨于穩(wěn)定。對(duì)比圖5（a）和圖5（b）可知，因橫向通道是火災(zāi)發(fā)生區(qū)，通道內(nèi)煙氣層高度較豎向通道低。釋放細(xì)水霧之后煙氣層分區(qū)高度迅速上升到最高點(diǎn)，且隨著通道頂棚高度增加煙氣層分區(qū)高度也隨之增加，細(xì)水霧對(duì)高溫?zé)煔馄鸬搅撕芎玫睦鋮s作用。因通道頂棚較高煙氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)有大量冷空氣卷入導(dǎo)致3.4 m 和4.3 m 高通道煙氣層產(chǎn)生較大波動(dòng)。從圖5（b）可以看出，2.6 m高通道煙氣層高度已經(jīng)達(dá)到1.8 m 以上，這時(shí)高溫?zé)煔庵饕性谌藗冾^頂上方，有利于火場(chǎng)人員疏散。由此可見(jiàn)，通道頂棚高度在2.6 m 以上能夠減少高溫?zé)煔鈱?duì)人員疏散影響。

2.3 溫度場(chǎng)分析

1）通道內(nèi)溫度變化

圖6 （a）為各頂棚高度下T 型通道內(nèi)1.5 m 處的溫度變化。可以看出，1.8 m 高通道溫度迅速升高到200 ℃，在釋放細(xì)水霧后又很快下降到環(huán)境溫度，而其他頂棚高度的通道在1.5 m 處的溫度變化不明顯。圖6（b）為各頂棚高下通道頂棚溫度的變化。可以看出，隨著頂棚高度的降低，通道頂棚溫度逐漸升高，且通道頂棚溫度較通道1.5 m 處溫度高。這是由于通道頂棚高度較低產(chǎn)生頂棚射流現(xiàn)象，燃燒劇烈導(dǎo)致溫度升高，又因高溫?zé)煔鈱蛹许斉飬^(qū)域以致頂棚溫度較其他區(qū)域高。釋放細(xì)水霧后，低頂棚高度下水霧與環(huán)境溫差較大，汽化劇烈，吸收熱量多，1.8 m 和2.6 m 高通道冷卻效果相對(duì)較好。

2）溫度云圖

圖7 為不同頂棚高度下橫向通道內(nèi)，細(xì)水霧釋放1 140 s 后溫度分布云圖。可以看出，通道內(nèi)除火焰上方外，其余部分基本降到環(huán)境溫度，釋放細(xì)水霧有效的降低了通道內(nèi)溫度。1.8 m 高通道最高溫度出現(xiàn)在燃料池表面約137 ℃，燃料池上方溫度層較少且溫度較低；2.6 m 高通道在細(xì)水霧作用下，最高溫度區(qū)域偏移到燃料池右側(cè)，通道頂棚位置出現(xiàn)部分高溫區(qū)，且溫度比1.8 m 高通道略有升高；3.4 m 和4.3 m 通道油池上方1.5 m 范圍內(nèi)溫度較高，最高溫度達(dá)400 ℃，這是由于高頂棚通道在細(xì)水霧作用下火焰仍能以低燃燒速率燃燒所致。故細(xì)水霧對(duì)低頂棚狹長(zhǎng)通道的冷卻效果更好。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）細(xì)水霧能夠有效抑制T 型通道內(nèi)火災(zāi)的蔓延。釋放細(xì)水霧后火焰熱釋放速率迅速下降。低頂棚（1.8 m和2.6 m）狹長(zhǎng)通道內(nèi)熱釋放率衰減速度較快，而高頂棚（3.4 m 和4.3 m）狹長(zhǎng)通道，由于細(xì)水霧霧動(dòng)量不足，熱釋放率衰減速度較慢。

2）釋放細(xì)水霧之后，1.8 m 和2.6 m 頂棚狹長(zhǎng)通道內(nèi)O2濃度可快速降到14%，火焰基本熄滅。而3.4 m和4.3 m 頂棚狹長(zhǎng)通道內(nèi)O2濃度較高，但燃料燃燒速率可被得到有效抑制。

3）1.8 m 高通道的煙氣層較低，隨著頂棚高度增加煙氣層升高。通道頂棚高度在2.6 m 以上能夠減少高溫?zé)煔鈱?duì)火場(chǎng)人員疏散的影響。

4）細(xì)水霧能夠有效降低通道內(nèi)的火場(chǎng)溫度，尤其對(duì)低頂棚（1.8 m 和2.6 m）通道的降溫效果較好；高頂棚（3.4 m 和4.3 m）通道內(nèi)由于火焰仍以較低燃燒速率燃燒，油池上方區(qū)域溫度仍然較高，但其周圍空間的溫度得到有效降低。

圖7 不同頂棚高度橫向通道內(nèi)溫度分布云圖Fig.7 The temperature distribution in the transverse passage with different ceiling heights