不同進風速度下船舶機艙火災煙氣組織特性研究

摘 要：本文以某散貨船為研究對象，采用了FDS軟件對該機艙火災進行了數值模擬。分別分析了機艙進風速度分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s下煙氣濃度及溫度變化規律，并認為當風機速度為3 m/s時，煙氣濃度值最小而艙內的溫度降低幅度最大。

關鍵詞：船舶機艙火災 煙氣 組織 不同進風速度

中圖分類號：U698.4；X951文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（b）-0209-01

船舶機艙發生火災時，通風情況對于艙內火災的發展和煙氣的蔓延速度有著很大的影響。近年來，Jaluria，Yogesh[1]等人針對水平通風孔在火災中的熱量和質量流動對船舶水平通風孔的煙氣擴散規律做了研究。蘇石川等[2]對船舶機艙火災過程中的煙氣運動進行了研究。王志國等[3]通過傳統的區域模擬細想，再將船舶艙室簡化為方腔的基礎上，對船舶機艙火災發生后的煙氣層組分濃度進行了模擬分析。根據王亮[4]等人提出的船舶機艙多層結構概念，以上研究大多基于將船舶機艙假設為無平臺分隔的單層結構，雖然王亮等人對多層結構船舶機艙火災煙氣充填規律進行了研究[5]，但并未指出不同機械進風速度對煙氣組織的影響。

本文利用FDS軟件模擬多層結構船舶機艙火災中煙氣的流動，通過對煙氣流動速度，煙氣濃度及溫度的變化規律的分析，得出機械進風速度分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s時，煙氣在多層結構船舶機艙火災中的基本運動規律。

1 物理模型及參數設置

本文以某散貨船機艙為原型，并根據多層結構概念，建立了簡化的機艙模型。模型的結構分為底艙、A平臺、B平臺、A甲板。模型內布置有主機、泵、風機、管路，B平臺旋梯。模型空間尺寸為21.6 m×32.0 m×16.8 m（上甲板以下），7 m×7.2 m×6.0 m（上甲板以上）。模型的材料為鋼材，其密度為7570 kg/m3、表面傳熱系數為0.47 kJ/kg/K、輻射系數為1.0。

以柴油為火源材料，其密度為940 kg/m3、表面傳熱系數為1.8 kJ/kg/K、輻射系數為0.3、熱傳導系數為0.126 W/m/K。假設火源的底部面積為1.6 m×2.5 m，其最大熱釋放率為2770 kW/m2。

模型中設有四個風機，并分別位于模型的頂部。本文采用多組對比試驗，遵循單一變量法，只改變風機速度而其他變量不變。為了研究風機的臨界速度，將風機的速度分別設置為1 m/s、2 m/s、3 m/s以供比較。

2 模擬結果與分析

本模型中定義了兩個網格（MESH1和MESH2），網格大小為0.2 m×0.2 m×0.2 m的矩形網格，MESH1網格的數目為108×160×114，MESH2網格的數目為35×36×30。

圖1為艙內460 s時刻，不同風機速度下，隨著機艙高度的增加煙氣濃度的變化曲線，其中三條曲線分別為風機速度V=1 m/s、2 m/s、3 m/s時的煙氣濃度變化曲線。從中可發現：隨著機艙高度的增加煙氣濃度先增大后減小，這是由于隨著火災的發展，煙氣在熱浮力驅動下會逐漸上升，因此煙氣濃度會隨著高度逐漸增大，并且由于機艙上部煙氣速度較大，從排風口排出的煙氣較多，因此煙氣的濃度先增加后減小。同時，從中可知當風機速度為3 m/s時煙氣的濃度相對最低。這是由于隨著風機速度的增加，機艙內煙氣的流動速度增加，從而風機的機械排風能力增強，可以將更多的煙氣排出機艙。

圖2為460 s時刻x=7.5 m，y=15.5 m平面內溫度隨高度z變化而記錄的數據，三條曲線分別表示風機速度為V=1 m/s、2 m/s、3 m/s下的煙氣濃度變化曲線。從圖2中可以看出煙氣溫度隨著高度的上升有著很大的變化，在Z=7 m處煙氣溫度最高位置，這與煙氣濃度在此處呈現最高相互聯系。熱煙氣濃度越大，其溫度也將越大。比較圖2中三條曲線可知，當風機風速為3 m/s時，其溫度值最小，這說明風機在該風速下的排煙能力最強，風機在該風速下更有利于煙氣的控制，減小對人員的危害。

3 結論

本文利用FDS軟件對多層結構船舶機艙火災煙氣流動進行了數值模擬，比較分析了風機速度分別在1 m/s、2 m/s、3 m/s的情況下煙氣濃度、機艙溫度分布特點。

（1）艙內縱深方向上煙氣濃度呈波動變化趨勢，當風機風速為3 m/s時，煙氣濃度值為最小值。

（2）冷空氣可在一定程度上降低火災場的溫度。通過比較可發現，當風機風速為3 m/s時，其艙內溫度降低幅度最大。

參考文獻

[1]蘇石川，王亮，聶宇宏，等.某船舶機艙火災發展過程中的數值模擬與策略分析[J].消防科學與技術，2009，28（1）：15-19.

[2]王志國，楊志青，馮明初，等.艦船大空間艙室火災模擬及防火設計[J].海軍工程大學學報，2003，15（4）：42-44.

[3]王亮，蘇石川.多層結構船舶機艙火災煙氣充填數值計算[J].交通運輸工程學報，2011，11（6）：56-61.