排煙條件下艙室煙氣溢流的數值模擬研究

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(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

火災給船舶安全造成巨大威脅，煙氣是火災的一個重要致災因素。一方面，煙氣是火災中人員傷亡的主要原因[1-2]；另一方面，高溫煙氣在船舶內的擴散還可能會造成火災的進一步蔓延，并給艦艇內的武器彈藥造成威脅。艙室的豎向開口是內部火災燃燒的氧氣供應通道，對火災的發展和煙氣成分有重要影響，同時，它還是煙氣從著火艙室溢出的主要途徑。如果火災控制不當，會造成大量煙氣從著火艙室溢出，從而使船舶其他區域的人員和設備安全受到威脅。為了保護整個船舶的安全，在船舶內部火災載荷較大，危險性較高的艙室，可以安裝排煙系統，來抑制火災時開口處的煙氣溢流。

鑒于豎向開口處煙氣流動的重要性，國內外學者很早就對此開展了大量細致的理論和實驗研究[3-8]。但需要指出的是，這些研究主要針對單一豎向開口的氣體流動，并未考慮排煙系統的影響。而排煙作用會使開口處煙氣的中性面和輸運規律發生一些改變。有研究表明，排煙能夠減少開口溢流，在排煙量足夠大時，甚至能夠完全抑止溢流，從而將火災煙氣有效地控制在房間內部[9]。

本文對排煙艙室豎向開口煙氣流動進行數值模擬，重點關注豎向開口煙氣溢流發生的臨界條件，為后續船舶艙室的排煙系統研究設計和損害管制提供理論依據。

1 豎向開口流動理論基礎

艙室豎向開口存在中性面時的煙氣流動示意于圖1。

圖1 艙室豎向開口煙氣流動示意

豎向開口流動是一種密度差引起的開口處流動，可模化為無粘性的伯努利流動[10]。

艙室內外壓差可表示為

Δp=ρ∞gz-ρsgz

(1)

根據伯努利方程，進入艙室內氣體質量微元可表示為

(2)

式中：ρ∞——環境空氣密度；

ρs——煙氣密度；

Hw——開口的寬度；

C——開口處的流通因子，一般取0.6～0.8[11]。

煙氣層分界面的位置與模型中溫度的簡化密切相關，需根據其與開口的位置關系分別處理。

2 數值模擬研究

2.1 物理模型設置

模擬軟件采用FDS 5.5.3。數值模擬計算模型所模擬艙室的尺寸為長×寬×高=6 m×4 m×3 m，艙壁厚度設置為0.1 m。在模擬艙室頂部設置有一個排煙口，右側墻上設置有一個0.4 m × 0.8 m的豎向開口，離地面高度為2 m，見圖2。

圖2 數值模擬物理模型

模擬艙室內設置有兩串熱電偶。每串29個探點，從高度0.1 m～2.9 m，等距布置。為了研究開口處的煙氣流動狀況，在開口中間以0.1 m間距設置有一串溫度探點和一串矢量速度探點。另外在排煙口和豎向開口處還分別設置2個監測面，用來監測這兩處的質量流量和體積流率。為保證計算精度，選取尺寸為0.05 m × 0.05 m × 0.05 m的網格方案。

2.2 模擬工況設計

為了研究不同排煙量下艙室開口處的煙氣流動狀況，共設計了10種模擬工況。前8種模擬工況中火源功率固定為0.5 MW，排煙口排煙量變化范圍為0.16～1.6 m3/s，后兩組工況中，排煙量固定為0.64 m3/s，而火源功率分別為0.4 MW和0.6 MW。詳見表1。

表1 數值模擬工況表

2.3 計算結果分析與討論

圖3a)為工況1～8穩定段開口處不同位置的水平平均速度分布。其中，速度為矢量，定義流出艙室的方向為負。可以看出，開口處的速度基本隨著高度的增加呈線性增大趨勢。這種現象也正說明了在排煙條件下，豎向開口處煙氣流動的主要驅動力仍是溫度差引起的壓差。工況1～4中，開口頂部的煙氣速度小于0，說明此時開口處有煙氣溢流。因此，這4組工況下的排煙量不足以抑止煙氣溢流。工況5中，開口處風速均大于0，說明開口無溢流產生。但此時開口最高點的風速只是略大于0，說明該工況下的排煙量剛剛達到抑止溢流的臨界條件。其后，隨著排煙量的繼續增大，開口處均為氣體流入，無溢流產生，且氣體流入速度持續增大。從這8組工況的風速比較可以看出：排煙量存在臨界值，只有當排煙量大于某一臨界值，才能抑止煙氣溢流的產生。而在本文的火源功率及開口條件下，臨界排煙量與工況5中的排煙量接近。

圖3b)為工況5和工況9、10中穩定段開口處不同位置的水平平均速度分布。可以看出，排煙量固定為0.64 m3/s在火源功率為0.6 MW時，開口處存在中性面;當火源減小到0.5 MW時，中性面已上移到開口上沿以上，所以開口處全為空氣補入。火源功率減小到0.4 MW，開口處仍全為氣體流入，且流入速率相比0.5 MW工況下有一定增大。

表2是不同排煙量下開口處的中性面高度、質量流量和體積流率統計。表中“/”代表該工況下開口處流動狀況全部為氣體流入，不存在傳統意義上的中性面，只存在一個在開口上沿以上的虛擬中性面。從表中工況1～8對比可以看出，從工況5開始，開口處不存在中性面，即這些工況下開口處無煙氣流出。工況1中，排煙量最小，中性面高度最低，但仍高于開口總高度的一半。而已有研究表明，在無排煙時中性面高度均在開口高度的一半以下。可見排煙條件的豎向開口的中性面位置發生了顯著變化。從工況1～5的對比可以看出，隨著排煙量的增加，開口處中性面位置不斷抬升，當到排煙量為0.64 m3/s時，中性面高度已高出開口上沿。此時，傳統意義上的中性面消失，艙室開口的氣體流動全部為氣體流入。從這五組工況的對比還可以看出：氣體流入質量流量隨著排煙量的增加而增加，流出質量流量則隨著排煙量的增加很快就降為0。工況6～8的排煙量相比工況5更大，氣體流出質量流量均為0，開口處均為新鮮空氣補入。在達到溢流抑止臨界條件后，隨著排煙量的增加，開口處流入氣體的質量流率也顯著增加。此時，流入氣體質量流率的增加主要是由排煙量的增加引起的。

圖3 不同工況下開口處速度分布

表2 開口處煙氣流動參數統計表

3 結束語

在排煙條件下，中性面高度是決定溢流抑止的重要條件，當理論中性面高度大于或等于開口上沿時，可認為達到溢流抑止狀態。中性面高度與排煙量和火源功率密切相關，隨著排煙量的增大，中性面高度不斷上移，從而煙氣溢流量持續減小；隨著火源功率的增大，中性面高度則下移，溢流量增大。

[1] HUO Ran, HU Yuan, LI Yuanzhou. Introduction to building fire safety engineering[M].Hefei: University of Science and Technology of China Press,2009.

[2] HIEANIEMI J, KALLONEN R, MIKKOLA E. Burning characteristics of selected substances: production of heat, smoke and chemical species[J].Fire and Materials,1999,23(4):171-185.

[3] STECKLER K D, BAUM H W, QUINTIERE J G. Fire induced flows through room openings—flow coefficients[J].Twentieth Symposium (International) on Combustion,1985,20(1):1591-1600.

[4] QUINTIERE J G, RINKINEN W J, JONES W. The effect of room openings on fire plume entrainment[J].Combustion Science and Technology,1986,26(5-6):193-201.

[5] KARLSSON B, QUINTIERE J G. Enclosure Fire Dynamics[M].Boca Raton FL: CRC Press,1999.

[6] WANG L, QUINTIERE J G. An analysis of compartment fire doorway flows[J].Fire Safety Journal,2009,44(5):718-731.

[7] QUINTIERE J G, WANG L. A general formula for the prediction of vent flows[J]. Fire Safety Journal,2009,44(5):789-792.

[8] CROCKER JEREMIAH P, RANGWALA A S, DEMBSEY N A, et al. Investigation of sprinkler sprays on fire induced doorway flow[J].Fire Technology,2010,46(2):347-362.

[9] YOU Yuhang. Studies on cabin Fire and smoke under mechanical exhaust and sprinkler in large space buildings[D].Hefei：University of Science and Technology of China,2007.

[10] NAKAYA I, TANAKA T, YOSHIDA M. Doorway flow induced by a propane fire[J].Fire Safety Journal,1986,10(3):185-195.

[11] EPSTEIN M , Buoyancy-driven flow through small openings in horizontal partitions[J].Journal of Heat Transfer,1988,110(4a):885-893.