客船客艙火災(zāi)及人員疏散仿真研究

陳 斌，商 蕾，孫 俊

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

1 客船客艙火災(zāi)模擬

隨著全球客船旅游行業(yè)的快速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的客船旅客量逐年增加[1]，客船海難事故對人們的生命、財(cái)產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的威脅。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，客船火災(zāi)在海難事故中占據(jù)比例較高[2]，而且由于客船體量龐大、載客量多、可燃物多，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易造成人員傷亡[3]。

1)PyroSim模型建立。本文選取某客船為模擬對象，該客船總噸位為4 924 t，長度135.20 m，寬度19.60 m。客區(qū)甲板層共有5層，分別為上甲板L1、游步甲板L2、駕駛甲板L3、娛樂甲板L4以及陽光甲板L5。船尾、大堂中庭和船首各設(shè)有一套扶梯，分別命名為Ⅰ號、Ⅱ號和Ⅲ號扶梯，L4中部設(shè)有集合站和救生艇。真實(shí)的客船客艙布局、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可根據(jù)布局情況進(jìn)行合理簡化，利用火災(zāi)模擬軟件PyroSim對其進(jìn)行建模。PyroSim中所有的計(jì)算都必須根據(jù)網(wǎng)格計(jì)算。采用PyroSim對客船客艙進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬時，需要對客艙模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分以確定計(jì)算區(qū)域及區(qū)域網(wǎng)格精度[4]?？紤]模擬計(jì)算運(yùn)行時間和計(jì)算精度的影響，采用均勻網(wǎng)格劃分法，設(shè)置每個單元網(wǎng)格的尺寸為500×500×500，將整個客艙模型劃分為4塊計(jì)算區(qū)域，共計(jì)974 848個單元網(wǎng)格。

2)觀測點(diǎn)設(shè)定。在火災(zāi)的發(fā)展過程中，溫度、能見度和煙氣的濃度會隨時間發(fā)生變化，同時也會影響人員安全疏散的效率。為了考察客船客艙火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)蔓延和煙氣擴(kuò)散對人員疏散的影響，需要在PyroSim建模時設(shè)置一系列探測設(shè)備監(jiān)測客艙內(nèi)火場煙氣情況，測量煙氣溫度、能見度和CO體積分?jǐn)?shù)，以獲得實(shí)時的仿真數(shù)據(jù)。因此設(shè)定L4層的3個觀測點(diǎn)A、B、C分別位于Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號扶梯口處，距離地面2.0 m。

3)安全疏散判定標(biāo)準(zhǔn)。為保證客船客艙發(fā)生火災(zāi)時艙內(nèi)乘客能夠安全疏散，對火場中的煙氣溫度、能見度和CO體積分?jǐn)?shù)，本文采用以下定量標(biāo)準(zhǔn)判斷人員可用安全疏散時間(ASET)[5]：客船客艙距離地面2.0 m時，煙氣溫度不大于60℃，能見度不小于10 m，CO體積分?jǐn)?shù)不大于400 cm3/m3。

4)火災(zāi)場景設(shè)置。結(jié)合客船客艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和防火特性，依據(jù)最不利原則和概率最大原則，設(shè)定了4個典型的火災(zāi)場景?；馂?zāi)場景1的起火位置位于L1的主餐廳，火災(zāi)場景2的起火位置位于L2的某一間客房，火災(zāi)場景3的起火位置位于L3的商務(wù)房區(qū)域，火災(zāi)場景4的起火位置位于L4的棋牌室。

客船客艙火災(zāi)初期和發(fā)展階段，火源中可燃物燃燒劇烈，熱釋放率增大，符合時間增長火源類型火災(zāi)[6]。ISO/TS 16733《火災(zāi)安全工程第四部分：設(shè)定火災(zāi)場景和設(shè)定火災(zāi)的選擇》中，根據(jù)火災(zāi)增長系數(shù)α的值，將火災(zāi)類型分為4種，結(jié)合起火位置可燃物的特性，各火災(zāi)場景熱釋放速率如表1所示。

表1 各火災(zāi)場景熱釋放速率

2 火災(zāi)模擬結(jié)果與分析

2.1 觀測點(diǎn)A

分析處理4組火災(zāi)場景下觀測點(diǎn)A處2.0 m高度處，其能見度、溫度、CO體積分?jǐn)?shù)的數(shù)據(jù)，觀測點(diǎn)A處各指標(biāo)變化趨勢如圖1所示。由圖1可知，火災(zāi)場景1中火源位于L1層主餐廳，距離觀測點(diǎn)A較遠(yuǎn)，能見度在283 s開始低于10 m，溫度未達(dá)到60 ℃臨界值，CO體積分?jǐn)?shù)也未達(dá)到400 cm3/m3?；馂?zāi)場景2中能見度大約在332 s時低于10 m，由于距離較遠(yuǎn)，溫度和CO體積分?jǐn)?shù)未發(fā)生明顯變化。火災(zāi)場景3中在243 s的時候觀測點(diǎn)A的能見度低于臨界值，由于該處自然排煙效果較好，溫度基本保持在23 ℃左右，CO體積分?jǐn)?shù)基本保持在240 cm3/m3，均未超過安全指標(biāo)臨界值?；馂?zāi)場景4中約在168 s時能見度低于10 m，658 s時溫度達(dá)到臨界值60 ℃，160 s時CO體積分?jǐn)?shù)高于人體承受的極限值。

圖1 觀測點(diǎn)A處各指標(biāo)變化趨勢

觀測點(diǎn)A處各指標(biāo)危險(xiǎn)臨界時間見表2。TvisiA為觀測點(diǎn)A處能見度表征的危險(xiǎn)臨界時間，TtempA為觀測點(diǎn)A處溫度表征的危險(xiǎn)臨界時間，TCOA為觀測點(diǎn)A處CO體積分?jǐn)?shù)表征的危險(xiǎn)臨界時間。

表2 觀測點(diǎn)A處各指標(biāo)危險(xiǎn)臨界時間 s

2.2 觀測點(diǎn)B

處理方法如2.1小節(jié)，觀測點(diǎn)B處各指標(biāo)變化趨勢見圖2?；馂?zāi)場景1中，大約在221 s能見度低于10 m，由于相距較遠(yuǎn)，觀測點(diǎn)B在1 339 s溫度達(dá)到60 ℃，大于1 000 s可不用考慮，CO體積分?jǐn)?shù)也未達(dá)到臨界值?；馂?zāi)場景2中，能見度大約在243 s低于10 m，溫度和CO體積分?jǐn)?shù)均未達(dá)到危險(xiǎn)臨界值?；馂?zāi)場景3中，能見度在164 s開始低于10 m，溫度未達(dá)到60 ℃，CO體積分?jǐn)?shù)增加也不多，未超過臨界值?；馂?zāi)場景4中，能見度76 s就達(dá)到臨界值，溫度在149 s達(dá)到危險(xiǎn)臨界值，CO體積分?jǐn)?shù)在205 s達(dá)到危險(xiǎn)臨界值。

圖2 觀測點(diǎn)B處各指標(biāo)變化趨勢

觀測點(diǎn)B處各指標(biāo)危險(xiǎn)臨界時間見表3。

表3 觀測點(diǎn)B處各指標(biāo)危險(xiǎn)臨界時間 s

2.3 觀測點(diǎn)C

分析處理方法如2.1，觀測點(diǎn)C處各指標(biāo)變化趨勢如圖3所示。火災(zāi)場景1中，由于觀測點(diǎn)C與火源位置相距較遠(yuǎn)，在536 s能見度降到10 m以下，溫度和CO體積分?jǐn)?shù)均未達(dá)到臨界值?；馂?zāi)場景2中，由于火源位置通風(fēng)條件較好，大量煙氣排出，因此觀測點(diǎn)C能見度未受到影響，且CO體積分?jǐn)?shù)沒有達(dá)到危險(xiǎn)臨界值，但距著火位置較近，溫度上升較快，在83 s達(dá)到60 ℃。火災(zāi)場景3中，大約在590 s能見度降至危險(xiǎn)臨界值，溫度和CO體積分?jǐn)?shù)增幅不大，人體可以忍受一段時間?；馂?zāi)場景4中，因?yàn)橛^測點(diǎn)C離火源很近，在20 s時能見度就降低至10 m，30 s溫度就上升至60℃，90 s時CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到危險(xiǎn)臨界值。

觀測點(diǎn)C處各指標(biāo)危險(xiǎn)臨界時間見表4。

表4 觀測點(diǎn)C處各指標(biāo)危險(xiǎn)臨界時間 s

根據(jù)能見度、溫度和CO體積分?jǐn)?shù)的觀測和分析的結(jié)果，取安全評價(jià)指標(biāo)中危險(xiǎn)臨界時間的最小值作為ASET，觀測點(diǎn)A、B、C處ASET見表5。由表5中可知，火災(zāi)場景4時觀測點(diǎn)A、B、C的ASET均最小，因此火災(zāi)場景4為最危險(xiǎn)火災(zāi)場景。

表5 觀測點(diǎn)A、B、C處ASET s

圖3 觀測點(diǎn)C處各指標(biāo)變化趨勢圖

3 客艙人員疏散模擬

3.1 人員必需安全疏散時間研究

人員的必需安全疏散時間(RSET)TRSET由火災(zāi)報(bào)警時間Talarm、人員反應(yīng)時間Tresponse、人員運(yùn)動時間Tmove這3部分組成[6]。

TRSET=Talarm+Tresponse+Tmove。

(1)

某客船安裝有火災(zāi)探測器和自動報(bào)警系統(tǒng)，感知火災(zāi)能力較強(qiáng)，能在較短時間就探測到火災(zāi)的發(fā)生，因此取Talarm=30 s。考慮到大多數(shù)乘客都沒有船舶火災(zāi)演習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，依照最不利原則，假定人員反應(yīng)時間Tresponse=30 s。人員運(yùn)動時間Tmove指的是船上人員移動到疏散地點(diǎn)所需要的時間，即本文疏散模型所模擬的時間段。

3.2 疏散參數(shù)及場景設(shè)置

該客船共有乘客套房和船員房間202個，按照疏散指南中的人員設(shè)置要求，結(jié)合該客船的實(shí)際情況，假設(shè)客船內(nèi)每個房間都住滿人，因此設(shè)置疏散總?cè)藬?shù)為404人。客艙人員的年齡、性別以及行走速度如表6所示[7]。

表6 疏散人員年齡、性別和行走速度

由上文可知，火災(zāi)場景4為最危險(xiǎn)場景，故疏散場景的火源位置選擇在L4的棋牌室，疏散出口選擇位于L4層的救生艇處。通過對火災(zāi)產(chǎn)物以及煙氣擴(kuò)散運(yùn)動的分析，可以得知位于中廳位置的Ⅱ號樓梯可能會因?yàn)槿菀拙奂罅康臒煔舛鵁o法行走，因此本文在模擬疏散場景設(shè)置2種工況：疏散場景1為Ⅱ號樓梯未失效時，乘客和船員的疏散情況；疏散場景2為Ⅱ號樓梯失效時，乘客和船員的疏散情況。

通過研究客船的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、疏散通道、樓梯數(shù)量及位置、集合站和救生艇位置的圖紙信息，構(gòu)建了客船客艙的物理模型，結(jié)合參數(shù)設(shè)定，建立Pathfinder人員疏散仿真模型。

4 疏散結(jié)果分析

4.1 疏散場景分析

圖4為客船客艙疏散人數(shù)統(tǒng)計(jì)圖，由圖4(a)知，疏散場景1中成功疏散客船客艙404名乘客和船員共使用了393 s。疏散時間為100 s時，成功疏散92名人員，大部分乘客和船員聚集至Ⅱ號樓梯，此時因?yàn)闃翘萃ǖ垒^窄而產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，少量人員通過選擇Ⅰ號和Ⅲ號樓梯疏散；疏散時間為200 s時，成功疏散229名人員，剩余待疏散人員集中在Ⅱ號樓梯，L1和L2層人員已經(jīng)疏散完畢；疏散時間為300 s時，成功疏散322名人員，此時大部分艙室人員已疏散完成。而且，最后一個通過觀測點(diǎn)A的人所用疏散時間為257 s，最后一個通過觀測點(diǎn)B的人所用疏散時間為384 s，最后一個通過觀測點(diǎn)C的人所用疏散時間為168 s。

圖4 客艙疏散人數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

由圖4(b)知，疏散場景2中成功疏散客船客艙404名乘客和船員共計(jì)使用了404 s。疏散時間為100 s時，成功疏散65名人員，由于Ⅱ號樓梯聚集大量煙氣而失效，乘客和船員選擇Ⅰ號和Ⅲ號樓梯為逃生路徑；疏散時間為200 s時，成功疏散208名人員，Ⅰ號樓梯已無待疏散人員，Ⅲ號樓梯因?yàn)槿藛T較多出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象；疏散時間為300 s時，剩余人員基本位于Ⅲ號樓梯和L4層。而且，最后一個通過觀測點(diǎn)A的人所用疏散時間為189 s，最后一個通過觀測點(diǎn)B的人所用疏散時間為270 s，最后一個通過觀測點(diǎn)C的人所用疏散時間為339 s。

4.2 安全性判斷

將各疏散場景下ASET和RSET進(jìn)行對比分析，根據(jù)客船客艙火災(zāi)安全疏散判定標(biāo)準(zhǔn)，不滿足ASET>RSET的疏散場景均判定為不安全情景，火災(zāi)場景4在2種疏散場景下的安全性判斷結(jié)果見表7。

表7 火災(zāi)場景4在2種疏散場景下的安全性判斷 s

5 結(jié)束語

1)利用PyroSim軟件對4種火災(zāi)場景進(jìn)行數(shù)值模擬，分析火災(zāi)發(fā)生過程中各觀測點(diǎn)能見度、溫度和CO體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，可以知道火災(zāi)場景4為最危險(xiǎn)場景，此場景下觀測點(diǎn)A、B、C的ASET分別為168 s、76 s和20 s。

2)利用Pathfinder軟件對船上人員在最危險(xiǎn)場景下的疏散行為進(jìn)行模擬，得到場景1、場景2各觀測點(diǎn)的RSET。對比ASET和RSET，可以判斷在最危險(xiǎn)火災(zāi)場景下，無論Ⅱ號樓梯是否失效，船上人員都不能全部安全疏散，因此需要制定相應(yīng)的火災(zāi)防范措施和安全疏散對策。