圓形開口的艦船舷側艙室通風因子的確定

金 鍵，仲晨華，牟金磊，王 欣

(海軍工程大學艦船工程系，武漢430033)

圓形開口的艦船舷側艙室通風因子的確定

金 鍵，仲晨華，牟金磊，王 欣

(海軍工程大學艦船工程系，武漢430033)

分析艦船舷側艙室圓形開口處的空氣流動情況,利用不可壓縮理想流體的伯努利方程推導出基于圓形開口的艙室通風因子公式。利用Pyrosim數值模擬軟件對4組不同半徑圓形開口下的舷側艙室進行火災模型,將得到的空氣流入速率數據與2組公式的計算結果進行比較,發現新推出的基于圓形開口通風因子公式更具準確性,在相同開口面積的空間火災中,相比矩形開口,圓形開口可為火災燃燒提供更多新鮮空氣。

圓形開口;舷側艙室;通風因子;Pyrosim

第二次世界大戰后,艦船裝備發展日新月異。儀器設備特別是電子設備的猛增,使現代水面艦船具有很大的易損性。艦載彈藥、艦用燃料(柴油),以及航空燃料大量存在,使現代水面艦船具有強烈的易燃性和易爆性。對二戰至今的海戰統計數據顯示:在遭到航空炸彈攻擊的條件下,航空母艦發生火災的概率為45%,巡洋艦發生火災的概率為34%,驅逐艦發生火災的概率為21%［1-3］。以英阿馬島海戰為例,阿軍向英軍艦船共發射了5枚導彈,其中有4枚命中,被命中艦船全部引發火災［4］。艦船舷側遭到航空炸彈襲擊后往往被炸出巨大的圓形破口,對于圓形開口舷側艙室火災情況的研究少見報道。因此,對基于圓形開口的艙室通風因子及圓形開口艙室的火災發展過程研究十分有意義。

1 圓形開口通風因子的推導

通風因子起初是按半經驗的方法導出的［5］,但它也可根據氣體流入和流出燃燒空間的情況由伯努利方程推導得出。不論是通過半經驗的方法,還是由伯努利方程推導出來,其所假定的通風口都是基于矩形的情況,并不一定適用于艦船的圓形開口通風情況。為此,考慮利用不可壓縮理想流體的伯努利方程推導出適用于艦船圓形開口的空氣流入質量流量公式。

式中:p1,p2——點1和2處的壓力;

V1,V2——點1和2處的純水平流速;

z1,z2——點1和2處與地表面的相對高度;

ρ——流體密度;

g——重力加速度。

通風口處的速度與壓力分布見圖1。

圖1 通風口處的速度分布和壓力分布

由伯努利方程可推導出兩個速度方程。

式中:F——室內氣體;

0——環境氣體。

通常這兩種流速的量級為幾m/s。對他們分別在各自的流通面積內積分,可以算出流入與流出的氣體的質量流量。

式中:Ca——流通系數;

B——通風口的寬度,m,對于矩形開口,寬度B為一個常數,而對于圓形開口,寬度B是隨高度y的變化而變化的;

h0,hF——冷空氣與熱煙氣流通口的高度,

為了便于計算,將直角坐標系轉換為極坐標系。

式中:r——圓形的半徑。

經過整理得到

式中:ρ0/ρF值一般為1.8～5.0,密度項的平方根,近似為0.21。令ρ0=1.2 kg/m2,Ca=0.7, g=9.81 m/s2,則空氣流入的質量流量(kg/s)近似為

對比川越幫雄給出的基于矩形開口的空氣流入的質量流量公式

式中:A——面積,m2;

H——為通風口自身高度,m。

2 火災過程的場模擬

在現有高性能計算機的支撐下,相對于其他模型,場模型能獲得更加詳細的各個物理量的時間空間分布,與真實的火災情況更接近,因此場模型在火災科學計算領域的應用越來越廣泛。FDS便是由美國NIST(National Institute of Standards and Technology)開發的一種場模擬程序。

由于FDS程序是開放的,其準確性得到了大量試驗的驗證。因此,在火災科學領域得到了廣泛應用。但由于FDS軟件是代碼輸入,導致其建模難、耗時長,所以對于復雜模型火災過程的求解非常不便。文中的艦船舷側艙室不是規則艙室,且開口為圓弧形,所以在本例中使用利于復雜模型建立的Pyrosim軟件。

Pyrosim是美國Thunderhead公司開發的用于FDS的預、后處理的圖形軟件,Pyrosim里面不僅包括建模、邊界條件設置、火源設置、燃燒材料設置和幫助等,還包括FDS/smokeview的調用以及計算結果后的處理,用戶可以直接在Pyrosim中運行建模型,Pyrosim以其強大的建模能力,被廣泛地應用于FDS的建模［6-8］。

由于建立具有三維曲面艙壁的復雜性,根據文獻［8］提供的方法,首先分析所需建立的三維模型,利用CAD軟件繪制三維實體模型,利用轉換程序將實體模型轉化為3D faces類型模型,生成DXF文件,使用建模處理軟件將DXF文件轉化為date文件或fds文件,最后導入Pyrosim軟件中,再進行火源、邊界等設定,完成建模工作［9］。

3 模型建立及參數設置

選取某艦艏部舷側位于設計水線上部的士兵生活艙為模型空間對象;查閱二戰至今的戰例詳情,反艦導彈對艦船的攻擊破口直徑為2～4 m,破口大小與導彈的破壞力、著彈點、著彈角度、船體材料以及厚度等有關,考慮到其中關系復雜性,在本例中僅將破口設置半徑分別為1.0、1.2、1.4、1.6 m的圓形開口;初始火源設置［10］為模擬導彈將舷側炸開破口后剩余推進燃料將靠近舷側的被褥引燃的情形。故將初始火源設置為:維持120 s、功率1 500 kW的點火源;艙室空間尺寸為:寬4 m、高3.9 m、下邊長8.3 m、上邊長11.6 m。網格劃分:網格空間大小為4 m×3.9 m×12 m,每個網格大小為0.1 m×0.1 m×0.1 m,共計187 200個網格。海況:無風。

4 模擬結果

不同圓形開口半徑下,通風口處的氣體流通速率隨時間變化見圖2。

圖2 通風口氣體的質量流量

假定式(10)對于圓形開口的通風情況仍然適用,則圓的面積A=πr2,高度H=2r。不同開口圓半徑下式(9)、(10)數值計算結果見表1。

將從圖4的模擬結果中讀出的數據與表1所列結果進行對比:式(9)理論結果與數值模擬結果之間的標準誤差為0.03;式(10)理論結果與數值模擬結果之間的標準誤差約為1.6。由此可以說明式(9)相對于式(10)的準確性。

表1 式(9)、(10)的理論計算結果 kg/s

對以上數據分析如下。

1)式(9)理論計算結果與數值模擬結果之間的誤差一方面來自對圖2數據讀取的偏差,另一方面來自計算機仿真試驗與實際火災情形之間的誤差。

2)隨著開口半徑增大,理論計算結果與模擬測量值之間的絕對誤差逐漸增大。

3)對于相同開口面積的空間內發生火災情處下,圓形開口處的空氣流入的質量流量要比矩形開口處大。較大的空氣的質量流量意味著空間內有更加充足的氧氣供給,這樣將使空間內火災發展更加劇烈。

5 結論

在相同開口面積的空間火災中,相比矩形開口,圓形開口可為火災燃燒提供更多新鮮空氣,因而圓形開口下的火災燃燒將更加劇烈。

對圓形開口艙室火災發展的研究,仍然存在一些未能很好解決的問題。

1)艙室圓形開口的大小及高度對艙室內燃燒形式的具體影響。

2)對圓形開口空間的真實火災實驗有待開展。

［1］于文滿,何順祿,關世義.艦艇毀傷圖鑒［M］.北京:國防工業出版社,1991.

［2］管光東,周元和.海戰:事故:艦船破損［M］.北京:國防工業出版社,1997.

［3］羅雯軍,王 吉,施曉波.美軍航母艦載機火災事故應對措施［J］.船海工程,2013,42(4):45-48.

［4］趙 健,凌 純.艦船艙室防火設計研究［J］.船舶, 2011,(1):57-60.

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

［6］徐幼平,周 彪,張 騰.FDS在工業火災中的應用［J］.工業安全與環保,2008,34(5):60-61.

［7］劉 軍,劉 敏,智會強,等.FDS火災模擬基本理論探析與應用技巧［J］.安全科學技術2006(1): 6-9.

［8］Kevin M,Glenn F.User’s Guide for Fire Dynamics Simulator(Version 4)［M］.Washington:U.S governing printing office,2004.

［9］劉文思,楊志青,仲晨華.艦船艙室三維曲面FDS建模方法探索［C］∥第十五屆中國國際船艇展暨高性能船學術報告會,上海,中國船舶工業行業協會船艇分會,2010:C26,1-6.

［10］王 磊,浦金云.艦艇防火的性能化設計［J］.船海工程,2007,36(1):104-106.

The Ventilation Factor of Broadside Compartmentwith Circular Openings

JIN Jian,ZHONG Chen-hua,MU Jin-lei,WANG Xin
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

The condition ofair flow in the broadside compartmentwith circular opening is studied.The cabin ventilation factor formula for circular opening is deduced by using the Bernoulliequations of the incompressible ideal fluid.The fire situation of broadside compartmentwith 4 groups of different radius of circular opening is simulated by Pyrosim software.The formula is verified by comparing the simulation data with the results of two formulas.And the results show thatmore fresh air will be provided by circular opening than the rectangular one when the opening area is same in case of fire.

circular opening;broadside compartment;ventilation factor;Pyrosim

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.004

U698.4

A

1671-7953(2015)03-0016-04

2015-03-05

修回日期:2015-03-15

國家自然科學基金青年基金(51309231)

金 鍵(1990-),男,碩士生

研究方向:艦船防火優化設計

E-mail:1016427556@qq.com