自由空間油池火災滅火過程仿真研究

丁立斌，陸金銘，任 凱，吳向君

(1.江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212003;2.海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢 430033)

解低速熱驅動流，其燃燒基本控制方程如下:

質量方程:

組分方程:

動量方程:

能量方程:

氣體狀態方程:

0 引言

油池火災是船舶上的一種常見的火災形式［1］，特別是在甲板等自由空間上的池火由于氧氣供應充足，燃燒非常劇烈，火焰高度有時可達數十米，且容易蔓延，危害性極大。同時，船舶池火火災的燃料大都為燃油，其燃燒值約為4.28×104KJ/kg，燃燒時熱對流和熱輻射強度非常大，容易造成滅火人員燒傷，增加了滅火的難度，所以一旦產生大面積的甲板油池火，后果將不堪設想［2］。

目前，自由空間油池火災的研究大都集中在燃燒的熱釋放率、輻射特性、溫度場分布等燃燒特性。水霧和水噴淋對火場的作用主要還是集中在受限空間和密封空間的火場分析上［3］。關于實際滅火過程中火場的變化情況分析研究較少，同時由于大尺度的油池火災試驗還難以開展，試驗數據較難獲取。本文將采用基于場模擬的火災模擬軟件FDS(Fire Dynamic Simulation)進行油池火在水噴淋作用下的燃燒特性分析，為船舶消防訓練提供理論依據。

1 數值方法與仿真模型

1.1 數值方法

FDS軟件是美國國家標準技術研究院(NIST)的建筑火災實驗室研究開發的模擬軟件。近年來由于其良好的性能和開放性被廣泛應用于火災安全工程領域，其計算結果也得到了國內外不少研究人員的驗證［4～6］。本研究采用低馬赫數的N－S方程求

本文采用大渦(LS)數值模擬方法進行數值計算。大渦模擬的基本思想是精確求解某個尺度上的所有湍流運動，低于這一尺度的采用湍流模型進行計算，兼顧了計算精度和計算時間以及計算成本問題。

1.2 仿真模型

模型設定燃燒池為2000 mm×2000 mm的矩形區域如圖1所示。水槍位置約為1700 mm高度，開花水槍的噴射角度根據實際情況約為－116°～－150°之間，其余各項初始條件設定見表1。從實際實驗中油池燃燒情況看，油池點燃后20～30s進入穩定狀態，設定20 s時開始噴淋動作。根據實際滅火使用的噴淋水槍，噴淋液滴尺寸按1200 μm呈正態分布。

圖1 FDS油池模型

2 仿真結果與分析

計算過程中通過改變水槍頭與油池的距離以及水槍頭的入射角度，得出了不同滅火條件下的火勢變化情況。通過對比分析，不同距離和不同入射角度對火勢會產生不同的影響。從圖2可以看出，－150°入射角條件下滅火效果最好，火勢沒有較大波動;而－116°效果最差，在后期火勢有小幅的波動。分析不同距離條件下的火勢的熄滅時間沒有較大的變化，可以認為在距離火源一定范圍之內，貼近火源并不能減小火焰的撲滅時間，這對實際滅火有很大的指導意義。

表1 FDS條件設置

圖2 不同距離和不同入射角度下的熱釋放率

此外，由圖3可見，油面上方300 mm處溫度隨入射角度不同而發生變化，入射角度越小溫度波動越大。而距離油面上方1800 mm處的溫度基本不隨入射角度的變化。由于燃料燃燒速率受溫度影響，可以推測火勢大小受近油面溫度影響。

3 結論

通過FDS數值計算可以得到如下結論:

(1)在距離火源一定距離之內，增加與火源的距離并不能提高滅火效果，反而會增加滅火人員滅火危險。在滅火訓練和實際的消防行為中，盡量保持合適的滅火距離，不要貼近火源。

(2)滅火中存在最優的水流入射角，本文中為－150°，而其他火源形式或者滅火行為中需要重新計算最優入射角。

(3)滅火過程中火勢受溫度影響，溫度對燃料液面的作用只限于一定的距離之內。

圖3 不同入射角下的油面上方溫度分布

［1］吳家運.船舶火災事故調查分析及防治［J］.船海工程，1990，20(5):40－41.

［2］范維澄，王清安，姜馮輝，周建軍.火災學簡明教程［M］.中國科學技術大學出版社，1995.

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