密閉空間在不同熱環(huán)境下的火災煙氣填充特性及壁面熱傳導效應

黃玉彪,楊立中,鄭源,黃丹妍

(中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，合肥 230026)

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密閉空間在不同熱環(huán)境下的火災煙氣填充特性及壁面熱傳導效應

黃玉彪,楊立中,鄭源,黃丹妍

(中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，合肥 230026)

采用火災數值模擬軟件FDS，模擬船舶內部艙室空間處于不同熱環(huán)境下的火災煙氣填充特性，發(fā)現恒溫環(huán)境和低差溫環(huán)境對火災煙氣的填充過程幾乎沒有影響，但是當密閉空間豎向差溫達到一定范圍時，對其填充過程影響巨大；同時通過密閉空間壁面的熱傳導效應的分析，不同熱環(huán)境對密閉空間金屬壁面的影響區(qū)域及程度均有所不同。

密閉空間；熱環(huán)境；煙氣填充；熱傳導；FDS

船舶火災是船舶安全的主要威脅之一，一旦發(fā)生火災，造成的經濟損失、人員傷亡乃至社會影響不可估量。根據統(tǒng)計，船舶火災約占船舶海難事故的11%，但是船舶火災造成的損失卻是排在所有海難事故的首位[1]。由此可見，船舶火災對于船舶安全具有致命的影響。

船舶艙室是屬于受限空間的一種，其與常規(guī)建筑存在一定的區(qū)別：首先兩者的壁面結構不同，建筑多采用混凝土壁面，而船舶則多采用鋼結構為艙室邊界，其導熱性遠超混凝土壁面；建筑一般設置有自然通風裝置(門窗等)，但是艙室一般不存在此類結構，所以船舶艙室火災與不同建筑火災存在一定的區(qū)別。

已有的船舶受限空間火災研究集中在密閉空間的自熄滅模型[2]。針對頂部豎向開口艙室的煙氣溢流行為進行相關研究，明確分析排煙量與中性面高度以及煙氣溢流質量之間的關系[3]。則針對扁平型大艙室的火災煙氣遷移蔓延特性及防控策略進行研究，分析艙室外界環(huán)境(外界風)對于典型艙室內部的火災熱流場特性的影響[4]。實驗研究頂棚射流煙氣溫度與時間和頂棚高度的關系[5]。無通風密閉空間的火焰燃燒現象[6]。無通風的客艙的火災發(fā)展規(guī)律[7]。

不同的熱環(huán)境對于由熱浮力驅動的煙氣的流動具有重要的影響，所以各艙室火災也會有所區(qū)別。因此，針對典型長高型密閉空間在不同熱環(huán)境下的火災煙氣填充特性以及金屬壁面熱傳導效應進行研究。

1 數值建模

1.1 數值模擬軟件FDS

采用NIST設計的被廣泛用于相關火災模擬的軟件FDS。FDS是基于大渦模擬的一種軟件，主要通過數值方法求解Navier-Stokes 方程，適用于計算低速、熱驅動的流體流動以及計算火災導致的煙氣流動和傳熱過程。FDS對于火災煙氣模擬的準確性已得到驗證[8-9]。

1.2 工況設置

構建長高型密閉空間模型見圖1。長、寬、高分別為4、4、8 m。影響壁面?zhèn)鳠岬闹饕獏祵嵯禂翟O置為113 W/(m·K)(船舶用金屬)，金屬壁面厚度2 cm。火源功率恒定為20 kW，金屬壁面溫度探點布置如圖1，分別設置在頂部及豎向壁面位置，深度為金屬壁面內部0.002 m處。

針對密閉空間處于不同熱環(huán)境條件下的火災設置5種主要工況見表1。

密閉空間初始熱種類分為恒溫和豎向差溫環(huán)境2種，其中恒溫環(huán)境設置20 ℃和45 ℃2種，差溫環(huán)境設置為30,45和60 ℃3種，其中差溫環(huán)境的基礎溫度為20 ℃。豎向差溫設置主要通過分別定義不同內部區(qū)域特性參數來實現。

表1 密閉空間初始熱環(huán)境工況設置

2 模擬結果與分析

2.1 密閉空間內部煙氣填充特性對比分析

船舶多個艙室由于功能不同，溫度環(huán)境也存在一定差異性。環(huán)境條件可以分為低溫環(huán)境和高溫環(huán)境，低溫、高溫環(huán)境又可細分為恒溫和差溫環(huán)境。

為簡化煙氣在不同熱環(huán)境條件下的密閉空間的填充過程，分別取2,5,10,15,30,50 s 6個時刻的煙氣填充時空圖作為分析對象。

圖2和圖3分別為20和45 ℃恒濕熱環(huán)境下的煙氣填充過程。從圖2可以看出，在0～5 s時間內，煙氣處于自由羽流上升階段；5～10 s內，煙氣在上升過程中發(fā)生撞擊頂棚，同時沿頂棚一維蔓延階段，10～15 s內，頂棚煙氣與密閉空間墻壁碰撞，并向下蔓延階段，15～50 s內，煙氣在密閉空間頂部不斷積聚，并向下部空間填充。對比工況1和2：雖然密閉空間所處的恒溫環(huán)境溫度參數不同，但是對于煙氣的填充過程沒有明顯太大區(qū)別，這說明恒溫的密閉空間環(huán)境對于煙氣的填充過程幾乎沒有影響。

圖4為30 ℃初始豎向差溫環(huán)境下的煙氣填充過程。由圖4可見，煙氣在密閉空間的填充過程與恒溫環(huán)境基本相似，但也存在一定的區(qū)別。當為5 s時，該工況下的煙氣上升高度比工況1和2的煙氣層高度低1～1.5 m。在10 s時，煙氣才剛剛撞擊頂棚，此時工況1和工況2中的煙氣已經沿頂棚一維蔓延同時撞擊墻壁面向下部累積填充階段。在30 s和50 s可以看出，該工況下的煙氣已經填充整個密閉空間，與恒溫環(huán)境下的煙氣蔓延情況一致。這說明30 ℃的差溫環(huán)境對煙氣的蔓延僅有個延遲阻礙的作用，但對整個填充的過程并無太大影響。

圖5為45 ℃初始豎向差溫環(huán)境溫下的煙氣填充過程。由圖5可見，在30 s時，在頂棚下方某一高度處出現煙氣的積聚現象；同時相比于工況3，煙氣上升的延遲現象大大增加，但是煙氣依然沒有出現撞擊頂棚的情況，這與工況3在10 s時撞擊頂棚相比，煙氣延遲撞擊頂棚的時間大大增加；在50 s時，煙氣突破了頂棚下方的煙氣積聚區(qū)域，上升到頂棚位置，并不斷的向下部空間填充。這說明45 ℃的豎向差溫環(huán)境對于該密閉空間的煙氣的上升以及填充過程有很大的影響。

圖6為60 ℃初始豎向差溫環(huán)境溫下的煙氣填充過程。由圖6可見，當豎向空間的溫度差異達到一個較高的水平時，煙氣上升到某一高度后，便不會再繼續(xù)上升，在此高度處的煙氣不斷積聚，直至發(fā)生煙氣向下填充的過程，最高度處的煙氣在短時間內始終與頂棚存在一定的距離。這也說明當豎向差溫環(huán)境達到60 ℃時，煙氣很難或無法到達密閉空間頂棚位置。產生此類現象的原因主要是由于豎向差溫熱環(huán)境在船舶密閉空間內部形成了一定的熱障效應，導致煙氣在豎向空間的運動受阻導致的，當煙氣本身的熱浮力小于熱障效應帶來的影響時，煙氣便無法沖破熱障區(qū)，到達頂棚位置。

終上所述，當密閉空間的環(huán)境溫度存在區(qū)別，其火災煙氣的填充過程同樣存在區(qū)別。當密閉空間處于恒溫均一環(huán)境時，無論環(huán)境溫度是多少，其煙氣填充過程基本一致，無明顯區(qū)別；當豎向差溫環(huán)境較小時，煙氣的填充過程相比于恒溫環(huán)境略有延遲，但是其填充過程也無明顯差別；當豎向差溫達到一個較高水平時，煙氣會在某一高度處出現積聚現象，并不斷的向下部空間填充，同時煙氣無法到達空間頂棚位置。這也為處于不同的熱環(huán)境條件下船舶艙室的火災煙氣控制提供一定的指導：當恒溫環(huán)境或者豎向差溫環(huán)境取值較低時，其通風防排煙可以考慮頂棚位置；當豎向熱環(huán)境差異達到一定的值時，煙氣上升受限，其通風防排煙的相關設備則可以考慮設置在頂棚下方的壁面位置。

2.2 密閉空間壁面熱傳導差異分析

由于船舶壁面多采用金屬材質，其熱導率遠遠大于建筑的混凝土壁面，所以船舶內部空間壁面受火災影響較大。當火災發(fā)生時，這些區(qū)別會對船舶的金屬壁面產生一定的熱傳導效應。取金屬壁面0.002 m深度的內部溫度作為研究對象。

不同熱環(huán)境條件下密閉空間頂棚及壁面的內部溫度分布見圖7。由圖7可見，當熱環(huán)境為恒溫20 ℃(見圖7a))時，頂棚溫度最高，壁面溫度隨著壁面高度的降低而逐漸降低；當熱環(huán)境為恒溫45 ℃(見圖7b))時，其規(guī)律與工況1基本一致，但是頂棚溫度與壁面溫度的差距相比工況1要小。

當密閉空間熱環(huán)境為差溫30 ℃時(見圖7c))，頂棚溫度依然最高，但是可以看出，其溫升與壁面溫度的差值比工況1和2小很多；當密閉空間熱環(huán)境為差溫45 ℃(圖7d))時，可以看出此時壁面溫度出現比頂棚溫度高的現象，當壁面高度為6.2 m時，溫度最高，其次為5.8 m；當熱環(huán)境溫度為差溫60 ℃(圖7e))時，可以明顯看出：其頂棚溫度分布和頂棚附近壁面溫度相對較低，相反的，在頂棚下方的5.8 m處的金屬壁面溫度取值最高，其次為6.2 m。與工況4相比，可以看出，隨著豎向差溫取值的不斷增大，其壁面最高溫度所在的壁面高度在不斷降低。工況4和5的船舶金屬壁面溫度分布規(guī)律也與煙氣在該密閉空間的填充過程相吻合。

通過對頂棚以及壁面的內部溫度分析發(fā)現：在不同的熱環(huán)境條件下，其壁面受影響區(qū)域也不同，當處于恒溫環(huán)境或者豎向差溫環(huán)境取值較低時，其金屬密閉空間壁面的受影響范圍主要集中在頂棚和頂棚附近的壁面區(qū)域；當豎向差溫環(huán)境取值較大時，其金屬密閉空間壁面的受影響范圍多集中在頂棚下方的壁面區(qū)域，對頂棚影響較小，同時其豎向熱環(huán)境差值越大，其金屬壁面的最高溫度的分布高度也在不斷降低。

3 結論

1)熱環(huán)境對于煙氣在密閉空間的填充過程有很大的影響：恒溫環(huán)境和較低差溫環(huán)境下，除較低差溫環(huán)境對煙氣的填充略有一定的延遲外，其填充過程基本一致；當豎向差溫環(huán)境較大時，其煙氣填充過程與之前存在很大的區(qū)別，煙氣多聚集在頂棚下方的區(qū)域，短時間內很難達到頂棚位置。研究表明，當船舶艙室在不同熱環(huán)境條件下時，其排煙口的安裝位置也應有所區(qū)別。

2)熱環(huán)境對于金屬壁面的熱傳導也有一定的影響：不同熱環(huán)境條件下，對金屬壁面的主要影響區(qū)域也存在一定的區(qū)別。這也為不同熱環(huán)境條件下的船舶金屬壁面的火災重點防護區(qū)域提供一定的指導。

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Characteristics of Fuel Gas Filling and Wall Heat Transfer Effect under Different Thermal Environment of Confined Space

HUANG Yu-biao, YANG Li-zhong, ZHENG Yuan, HUANG Dan-yan

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

FDS (Fire Dynamic Simulator) was adopted to analyze the fuel gas filling features of the confined space of the ship under different thermal environment. Research showed that constant temperature environment and lower differential temperature environment has little impact on the fuel gas filling process. However, it has a significant influence on the filling process when the differential thermal environment reached a certain level. The analysis of the temperature of inside wall and ceiling of the confined space showed that different thermal environment determines the wall temperature distribution.

confined space; thermal environment; fuel gas filling process; thermal conduction; FDS

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.001

2017-01-18

國家自然科學基金重點項目(資助號：51323010)和中央高校基本業(yè)務費專項資金(資助號：WK2320000033)

黃玉彪(1991—)，男，博士生

研究方向：火災煙氣流動與控制

U662

A

1671-7953(2017)03-0001-05

修回日期：2017-03-07