豎直開口船舶艙室火災(zāi)煙氣流動蔓延特性理論和仿真分析

丁立斌 程志剛

摘要：以豎直開口艙室船舶油池火災(zāi)為研究對象，在溢流煙氣流動蔓延模型的基礎(chǔ)上建立溢流煙氣點源簡化模型;采用火災(zāi)仿真軟件FDS對艙室火場重構(gòu)，對豎直開口處煙氣流動特性以及鄰艙內(nèi)火場特性進行仿真分析，并在此基礎(chǔ)上對點源簡化模型的適用性進行仿真驗證。

關(guān)鍵詞：船舶艙室;計算和驗證

船舶火災(zāi)以其高溫、毒性和遮光性影響火災(zāi)救援和人員逃生，嚴(yán)重威脅船舶生命力。國內(nèi)外學(xué)者對船舶腔室火災(zāi)開展了廣泛研究，主要集中于腔室火災(zāi)燃燒特性和煙氣填充規(guī)律。其中，毗鄰艙室（通道）間的火災(zāi)煙氣流動與蔓延相關(guān)研究僅涉及開口溢流煙氣特性研究，并未考慮其對鄰艙（通道）的影響。

本文以船舶豎直開口艙室火災(zāi)為例，研究起火艙對毗鄰艙室的影響，進而為船舶火災(zāi)消防策略制定提供參考：（1）建立豎直開口艙室和鄰艙煙氣流動模型;（2）對開口溢流煙氣流動特征進行建模分析;（3）對煙氣流動蔓延模型的適用性進行仿真驗證。

一、船舶艙室煙氣填充過程

在豎直開口艙室中，火災(zāi)煙氣在熱浮力作用下通過羽流卷吸沿羽流中心線垂直向上，在頂棚下方形成煙羽流區(qū)域。隨著熱煙氣的積聚，這一羽流區(qū)域在重力和壓力作用下通過煙氣沉降向艙室底部蔓延。當(dāng)煙氣層厚度位于豎直開口內(nèi)時，火災(zāi)煙氣在壓差作用下以開口溢流的形式向鄰艙蔓延，通過頂棚射流在鄰艙內(nèi)形成熱煙羽流區(qū)域，如圖1所示。

二、溢流煙氣流動模型

在船舶艙室火災(zāi)中，開口溢流是火災(zāi)蔓延的基礎(chǔ)，也是煙氣擴散和火場溫度的關(guān)鍵因素。因此，必須研究開口溢流煙氣流動規(guī)律，分析其對艙室間煙氣流動特性的影響。

（一）豎直開口煙氣流動模型

本文采用國內(nèi)外豎直開口溢流煙氣流動模型對開口煙氣特征參數(shù)進行理論建模：

（二）豎直開口點源簡化模型

在艙室豎直開口處溢流煙氣呈現(xiàn)明顯的分層，上層為熱煙氣在開口處形成穩(wěn)定煙羽流區(qū)，如圖2所示。在池火虛點源假設(shè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)點源羽流模型：

三、理論計算和仿真驗證

（一）開口艙室CFD仿真模型

選用直徑為0.2m、0.4m、0.6m、0.8m和1.0m的油池火模型，火源位于標(biāo)準(zhǔn)艙室中心位置。采用t2火模擬實船庚烷油池火災(zāi)，火源特征參數(shù)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定（見表1）;參考網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)? ? ? ? ? ? ? ? ?（其中? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ），火源區(qū)、開口附近區(qū)域網(wǎng)格局部加密。仿真過程中環(huán)境參數(shù)設(shè)置為溫度293K，壓力1.0×105Pa，密度1.2kg/m3，，定壓比熱容1.0kJ/kg·k。

（二）CFD仿真結(jié)果分析

仿真過程中共布置了4支熱電偶樹，同支熱電偶樹上不同熱電偶間隔0.1m。此外，在開口處布置了質(zhì)量流探頭對進出口氣體流量進行測量，如圖4所示。

（三）煙氣流動參數(shù)對比分析

將煙氣質(zhì)量流率和煙氣溫升等進行計算并與仿真結(jié)果進行對比分析（如表2）可知：（1）豎直開口處煙氣的質(zhì)量流率和溫升的理論計算結(jié)果與仿真結(jié)果具有較大的一致性;（2）鄰艙內(nèi)頂棚最大溫升理論計算結(jié)果與仿真結(jié)果在趨勢上具有一致性。（3）在理論計算和仿真分析過程中開口附近頂棚區(qū)域溫升均大于25℃，因此可通過在開口附近布置火災(zāi)溫度探測裝置進行火災(zāi)預(yù)警和火源艙識別，為火災(zāi)救援提供參考。

四、結(jié)語

本文在豎直開口船舶艙室火災(zāi)流動蔓延模型的基礎(chǔ)上，建立了開口點源簡化模型，并對這一模型進行了仿真驗證。研究結(jié)果表明：

1.開口點源簡化模型可應(yīng)用于豎直開口火源艙附近艙室火災(zāi)危害性評估，能夠直觀反映溢流煙氣流動蔓延規(guī)律;

2.鄰艙內(nèi)近火源艙區(qū)域受火源艙影響顯著，因此，可通過有效布置火災(zāi)探測裝置尤其是溫度探測裝置達到船舶火災(zāi)預(yù)警和火災(zāi)識別的目的。

此外，本文是通過火源熱釋放速率理論計算進行艙室火災(zāi)重構(gòu)的，因此仍需開展相關(guān)課題的實驗驗證，對豎直開口艙室火災(zāi)煙氣流動模型進行深入探討分析。

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作者簡介：丁立斌（1984—），男，工程師，主要研究方向：艦船火災(zāi)安全防護。