基于FDS的船舶客艙火災危險性數值模擬研究

吳哲非+謝啟苗

摘 要：隨著現代船舶行業的飛速發展，船舶的使用率又有了進一步的提升，但是隨之而來的船舶火災事故也是日益增多，而客艙，作為船舶的重要組成部分之一，又涉及到人員的安全，發生火災時的危險性不言而喻。本文主要研究的是船舶客艙火災危險性數值模擬分析，首先分析總結船舶客艙火災的主要特點和原因，接著通過PyroSim軟件對某一船舶客艙進行3D物理模型建立和火災場景設計，再通過FDS進行模擬，得出溫度、煙氣濃度和能見度這三個危險性數值來研究分析，并結合實際情況提出可行的防火建議，為今后類似的船舶客艙火災問題提供有益的數據和參考。

關鍵詞：船舶客艙；火災；數值模擬；能見度

1.引言

近年來我國航運業由于船舶火災事故所造成的重大經濟損失和人員傷亡一直存在，加之船舶火災的頻發性和嚴重性等特點[1]，國際海事組織（IMO）對此也早已高度重視并已制定出各種公約來從一定程度上確保船舶消防的安全，例如ISM規則就著重強調了人（即船員）在船舶消防中所需要發揮的重要作用[2]。所以，對于船舶火災的研究是非常具有現實意義和價值的，無論是對其預防工作還是補救工作都能提供有效的幫助和依據。

2. 船舶客艙火災場景設計

2.1 空間尺寸及網格劃分

本文利用PyroSim軟件對某一層船舶客艙進行3D物理建模，對其進行模型簡化建立。總空間尺寸為長×寬×高=18m×22m×2.6m，X，Y，Z 軸的網格數分別為90，120，15，最小的網格尺寸為0.2×0.18×0.17，網格總數為162000。FDS物理模型場景如圖2.1所示。設置這樣的網格模型是基于既可以比較準確的表現出該船舶客艙的基本情況，又可以在節約運算時間的基礎上得到相對比較精確的模擬結果[3]。

2.2空間內的組分及其材料設定

本文主要的研究對象是某一層船舶客艙，共有11個客艙，每個客艙內都設有單獨的陽臺和衛生間，一個主門通向走廊（1m×2m），客艙內的主要組分包括床配套（床鋪、床單、枕頭、被子、床頭柜、床頭燈），沙發配套（沙發、靠墊、茶幾、茶具），衣櫥、窗簾、寫字臺、電視、筆記本電腦、椅子、柜子、垃圾桶等。客艙內的一些主要組成部分詳見下表3.1。

2.3火災場景及火源設置

本文主要針對不同火源位置情況下的船舶客艙火災進行研究分析，所以主要分為兩種情況，一種是將火源設置在室內，即船舶的某一個客艙內；另一種是將火源設置在客艙外的走道上，即發生火災時人員疏散的必經之路上，通過這兩種不同的情況對于船舶客艙火災危險性數值進行模擬分析，得出有效結論。本文進行的模擬火源的設置為1200 。

2.4通風口及各類傳感器設置

本文進行的船舶客艙危險性數值模擬主要是分析溫度、煙氣濃度和能見度三個要素，所以設置的傳感器類型也是主要圍繞著三個要素，首先在整個模型1.7m的高度處設置了兩個切片，一個溫度切片，一個能見度切片用來反映1.7m處的溫度和能見度情況；接著在每個客艙門口高0.7m和1.7m處各設置一個溫度傳感器和煙氣濃度傳感器，如果是客艙內部發生火災的情況，首選的肯定是向室外逃生，而陽臺外面就是大海，應該不予選擇，剩下的就是向走廊逃生，必經之路就是客艙大門，所以對于客艙門處的危險性數值分析也十分必要；然后每個陽臺門1.7m處也各設置了一個溫度傳感器和一個煙氣濃度傳感器，如果遇到特殊情況導致無法從客艙門進行逃生，一直呆在室內又有一定的危險性，這時就可以退到陽臺外等待救援人員的到來，所以陽臺門的危險性情況也需要考慮；再有就是室內的危險性的情況也十分必要，所以在接近整個客艙中心的位置1.7m高處同樣設置一個溫度，一個煙氣濃度傳感器，由于是室內，所以在附近再設置一個能見度傳感器來觀察火災發生時客艙內部的能見度情況，再加一個煙氣層高度探測器，煙氣層高度同樣是火災發生時十分重要的參數之一，煙氣層高度一旦超過了客艙內部人員視力的高度就會對人員疏散產生一定的影響，而過低的煙氣層高度也會影響逃生人員的視覺和視界，增加火災危險性以及逃生的難度；最后在客艙外的走廊兩個盡頭外加整層客艙的出口位置同樣設置能見度探測器以及煙氣層高度探測器，反映火災發生時客艙外走廊的危險狀況。通風設置主要設置在每個陽臺外面，模擬陽臺門敞開的情況。

3. 基于FDS的船舶客艙火災危險性數值模擬分析

本文通過PyroSim軟件對船舶客艙建模之后，運用FDS進行火災模擬，進而分析研究溫度[4]、煙氣濃度和能見度三個危險性數值。溫度和煙氣是干擾人員疏散的主要因素，而煙氣的遮光性和障礙物的封閉效應對發生火災時的可見度又有很大的影響[5]。

3.1溫度分析

3.1.1火源位置一（室內）溫度分析

首先對Z=1.7m的溫度切片進行分析研究，發現火災發生后300s時，存在火源的那間客艙內的溫度已經基本達到了最大值，到700s時，大多數客艙內的溫度也陸續達到了最大值，等到1200s模擬結束時，各個客艙內的溫度基本趨于穩定，由于通風口的存在不斷的會有新鮮空氣進入船舶客艙，導致火勢不會因為火源的燃燒完畢而變小或停止。下圖3.1（a）折線圖1反映的是火源客艙的大門口1.7m和0.7m處的溫度變化情況，接近300s左右火災煙氣的高溫開始影響明顯，接著就是溫度的持續快速上升，1.7m處在540s左右溫度達到最大值，而較低位置的0.7m則到660s左右才達到溫度的最大值，且最大溫度低了將近120℃，之后溫度開始慢慢的下降，最后1.7m處穩定在350℃左右，0.7m處穩定在310℃左右。而火源位置附近設置1.7m處由于離火源位置比較靠近，導致在780s左右溫度又有了進一步的上升，產生二次升溫，所以越靠近火源，火災危險性就越大。

3.1.2火源位置二（室外）溫度分析

同樣對Z=1.7m的溫度切片進行分析研究，發現火災初期由于火源在走廊，所以整條走廊的溫度上升速度比較迅速，400s時整條走廊的溫度基本達到最大值，由于火源是在走廊中，客艙內部陽臺又設置為通風，所以客艙內部的溫度并不像火源在室內的情況那樣高，但是火災危險性依舊存在，火勢也有可能從走廊蔓延到室內。下圖3.2（a）折線圖2反映的是正對火源以及最靠近火源的兩個客艙的門口1.7m和0.7m的溫度變化情況，可以發現，不同于上一種情況溫度在持續上升一段時間之后會開始下降，溫度一直保持上升的趨勢，只是上升的幅度相對較小，最后同樣趨于穩定。endprint

3.2煙氣濃度分析

下圖3.3是根據設置在火源客艙門口的煙氣傳感器得出的數據所繪制的煙氣濃度折線圖，可以非常清晰的看出發生火災后煙氣蔓延的速度非常迅速，將近30s的時間門口1.7m處的煙氣濃度就基本達到100%，同時可以很直觀的看出不同高度的煙氣濃度變化的差異，0.7m處直到280s左右煙氣濃度才開始上升，主要原因就是頂棚射流原理。

下圖3.4是根據設置在火源客艙門口的煙氣傳感器得出的數據所繪制的煙氣濃度折線圖，相對于火源在室內的情況，煙氣濃度上升的速度明顯要緩慢許多，但是高度對于煙氣濃度的影響依然存在，同樣是1.7m處的煙氣濃度上升的速度明顯快于0.7m處，并且煙氣濃度的上升趨勢相對火源在室內的情況比較不穩定，加上通風的作用導致煙氣濃度很難達到100%。

3.3能見度分析

客艙內部著火后，產生的煙氣由于頂棚射流沿著客艙頂部向四周運動，直至充滿客艙頂部，接著煙氣層開始向下運動，運動的同時也在影響著覆蓋區域的能見度隨著煙氣濃度的不斷增大，客艙內部的能見度開始逐漸降低，直至整個客艙內部的能見度趨于零，同時煙氣也在不停地向室外，即走廊蔓延，降低走廊上的能見度。

根據下圖3.5可以發現80s左右的時候整條走廊的能見度已經基本趨于0了，煙氣已經開始向其他客艙內部進行蔓延，等到345s左右，火災發展到一定程度后，基本整個船舶客艙的能見度都已經接近最小值，處于十分危險的狀況。

客艙外部走廊著火后，產生的煙氣同樣由于頂棚射流沿著客艙頂部向四周運動，直至充滿客艙外走廊頂部，接著煙氣層開始向下運動的同時向其他客艙內部蔓延，蔓延的同時也在影響著覆蓋區域的能見度，隨著煙氣濃度的不斷增大，客艙內部的能見度開始逐漸降低，直至整個客艙內部的能見度趨于零，但是由于客艙內部設計存在陽臺進行通風，所以煙氣并不會積聚在客艙內部，雖然延期不斷的涌入客艙，但客艙內部的能見度還是會比走廊要好。

根據下圖3.6可以發現由于火源是在走廊，所以44s左右的時候整條走廊的能見度已經基本趨于0了，煙氣已經開始向其他客艙內部進行蔓延，等到250s左右，基本整個船舶客艙的能見度都已經接近零，處于十分危險的狀況。

4.結論與對策建議

通過對兩種工況下火災發展及蔓延的對比研究，可以得出以下結論：（1）對于溫度的分析，兩種情況下的客艙溫度上升均比較迅速，對比下來，火源在室內發生火災之后危險性更加容易擴散到客艙外部，進而導致整個環境的危險性大大增加，室內的最高溫度可以達到800攝氏度以上，遠遠超過人體所能承受的溫度。（2）火災發生后煙氣的蔓延速度也比較迅速，特別是走廊中的煙氣，由于頂棚射流的作用，基本90s左右的時間走廊上就充滿了火災煙氣，而走廊又是逃生的重要路徑，所以對于走廊上的煙氣蔓延問題也需要一定的解決措施，例如相應的排煙措施和設備的有效使用。（3）火災發生在走廊上能見度下降至1m以下的速度比火源在室內的情況要快將近一倍的時間，能見度不足會嚴重影響人員的逃生。（4）根據模擬結果分析，首先船舶客艙內部需要一定的水噴淋系統，可以在火勢還未變大的時候進行有效地抑制，將客艙內部以及走廊的煙氣溫度進行有效的降低，消防設備的數量和正常使用需要進行保障；客艙頂部的防熱處理需要重視，盡量在建造材料以及組分材料上選取燃燒時不太容易產生有毒氣體的材料，盡可能從根源上避免有毒氣體的產生，機械排風系統對于降低客艙內的煙氣濃度也有一定的幫助，能夠有效的控制高溫及有毒煙氣的擴散，同時實施合理的防排煙措施，有效地提高能見度，使人員可以更加迅速安全地進行疏散和逃生。

此外，本文也只是根據所得出的危險性數值提出建議，后續的人員疏散的具體情況模擬研究也十分有必要，包括結合人的生理、心理影響等進一步研究都對于更好地了解船舶客艙火災危險性很有幫助。 船舶客艙，人員移動的住所，對于其安全性的研究需要不斷的完善，不斷的改進，努力做到真正的安全。

參考文獻：

[1]朱小俊，楊志青，王東濤，王鳳良.船舶火災研究綜述[J].消防科學與技術，2008，（3）：159-163.

[2]鄭環宇，趙朗，鄭先超.船舶艙室火災危險性分析[J].廣州航海高等專科學校學報，2011，（4）：14-16.

[3]薛偉，張光俊.FDS火災模擬與應用[J].吉林林業科技，2006，35（6）：18.

[4]楊楓，浦金云，李其修，吳向君.船舶封閉艙室池火災溫度分布特性[J].海軍工程大學學報，2013，25（3）： 61-65.

[5]任鴻翔，金一丞，尹勇.船舶火災模擬訓練系統研究[J].武漢理工大學學報，2010，（1）：19-22.endprint