基于FDS的船舶機艙火災的數值模擬研究

顧舟 鄭徐俊 何志霖(上海海事大學,上海 201306)

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基于FDS的船舶機艙火災的數值模擬研究

顧舟 鄭徐俊 何志霖
(上海海事大學,上海 201306)

【摘 要】本文基于FDS軟件平臺,采用大渦模擬方法對某船舶機艙火災的發生、發展過程進行計算機數值模擬。根據IMO標準火災熱釋放速率大小定為1MV、4MV及6MV,本文將考慮這三種標準火災規模,對船舶機艙火災發生發展過程中機艙內溫度變化和煙氣濃度變化進行模擬研究。

【關鍵詞】機艙火災 溫度 CO濃度

1 研究對象

本文選用某結構吃水載重量為45800噸的多用途散貨船船舶機艙作為機艙火災及人員疏散研究的研究對象。下表1提供了該船舶的主要參數。

由于實際船舶機艙設備密集且結構復雜，需要將船舶機艙進行簡化后，通過FDS軟件平臺建立船舶機艙模型，如下圖1所示。

2 火源大小設定

表1 船舶主要參數

表2 機艙主要邊界參數

表3 高溫對主機的影響

表4 人體對高溫的忍受時間

表5 不同CO濃度對人員的影響

按文獻得知，油池火最大熱釋放速率計算公式為:

式中:Q——最大火災熱釋放速率，kW；m∞''——油池火漸進質量燃燒率，g·m-2·s-1；k'——有效吸收系數； D——油池的直徑，m；ΔHc——燃料的燃燒熱，kJ·g-1；Xchem——化學燃燒效率；計算求得油池直徑為1m、2m和2.5m。

3 邊界條件的設定

機艙艙壁、甲板等均為鋼結構，其余機艙的主要邊界參數如下表2所示。

4 機艙火災過程的數值分析

4.1機艙內溫度數值分析

4.1.1 溫度隨時間的變化規律

本文共模擬1MW、4MW和6MW三種火災規模，取火源中心上方1.5m處為監測點，可觀察機艙內溫度隨時間的變化規律。

根據上圖2可得到，在火災初期，機艙溫度迅速升高，三種火災分別在該監測點處100s、150s、200s左右達到充分燃燒階段，此時溫度達到最高值，標志著機艙處于危險狀態；而在衰退階段，溫度會逐漸降低。表3給出了高溫對主機的危害情況。

可得，當火源大小為1MW，在火災發生后100s時，主機底部1.5m處溫度達450℃，造成主機無法運作；當火源大小為4MW，在火災發生后約50s時，主機已無法正常工作，而發展到150s時，主機附近溫度超過850℃，主機表面因高溫受熱變形，且內部結構嚴重受損；6MW甚至會引發報廢情況。

4.1.2 溫度隨高度的變化規律

(1)火源處溫度隨高度的變化規律。本文在火源中心處垂直方向1.5m、2.5m、3.5m、4.5m、5.5m、6.5m、7.5m處共設置7個監測點，具體如圖3。

圖3中，在火源上方0～4.5m處，曲線梯度較大，溫度較高，且在250s內會對主機及機艙鋼結構表面造成嚴重危害；而在4.5～7.5m處，曲線梯度較小，溫度較低，可見，火源中心垂直方向4.5m處為溫度的拐點，在機艙上下平臺中，溫度由于受到火源燃燒時火焰高度的影響而出現分層現象，并可以通過模擬認定火源中心上方0～4.5m處為主機高溫危險區域。

(2)樓梯處溫度隨高度的變化規律。當機艙火災發生后，高溫會對人體產生嚴重影響，下表4給出了人體對高溫的極限忍受時間。

可見當環境溫度高于60℃時，會對人體造成傷害；而當高于300℃時，人員會處于絕對危險狀態。鑒于高溫會嚴重傷害人體，除了研究溫度對主機產生的影響，還需研究它對人員的影響，本文則在離火源較遠另一側樓梯口垂直方向七處共設置10個監測點，分析人員在移動過程中溫度對人員的影響，如下圖4所示。

已知，當機艙環境溫度高于60℃時，會對人體造成傷害，因此，可將60℃作為人員的安全臨界溫度值，并得出以下結論:當火災規模為1MW時，人員在450s內撤離，最為安全；當火災規模為4MW時，人員最佳疏散時間為0～250s；當火災規模為6MW時，人員最佳疏散時間為0～150s。

4.2 火災煙氣的蔓延情況

℃以6MW火災為例，可通過FDS中的smokeview可視軟件觀察機艙火災煙氣的蔓延規律，如下圖5所示。

圖5反映了火源大小為6MW時，火災煙氣在不同時刻的分布情況。

4.3 CO濃度隨高度的變化規律

雖然機艙發生火災時，高溫火災煙氣包含SO2、NO2、HCl和HCN等多種有毒有害氣體，但通常所含濃度不高，短時間內不會對人員身體造成傷害，而CO2雖然濃度很高，但毒性較小。通過查閱大量火災統計資料，人員因CO窒息中毒死亡的人數占全部死亡人員約70%，下表5給出了人員在吸入不同CO濃度時的反應情況。

圖6可以發現在火災發展過程中，在樓梯口垂直方向0～7.5m處，CO濃度隨高度的增加而增大，這是由于在火災發生后，火災煙氣會先隨著燃燒向上運動，等到上層平臺的煙氣聚積到一定程度后，再向下運動并且向四周擴散，因此CO主要在高層空間運動，所處位置越高，濃度也越大；而在7.5～10.5m處，CO濃度則隨高度的增加而減小，這是因為在機艙上甲板處有4個自然通風口和2個機械通風口，由于O2有所補給，CO濃度也相應有所下降。

5 結語

(1)當火源大小為1MW，在火災發生后100s時，主機因高溫無法運作；當火源大小為4MW，在火災發生后約50s時，主機無法正常工作，而發展到150s時，主機表面因高溫受熱變形，且內部結構嚴重受損；當火源大小為6MW，火災發生后20s時，主機無法運作，而發展到80s時，柴油主機則因高溫完全報廢。(2)在火災發生后，火災煙氣會首先隨著燃燒向上運動，當上層平臺的煙氣聚積到一定程度后，再向下運動并且向四周擴散，因此煙氣主要在高層空間運動，所處位置越高，溫度越高，CO濃度也越大，能見度則越小。

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