船舶頂部開口艙室火災煙氣流動蔓延特性分析

李東兵，李杰

(1. 海參某訓練中心，北京 100841；2. 中國人民解放軍91388 部隊，廣東 湛江 524000)

0 引 言

區別于建筑火災，船舶火災因其艙室結構和載荷種類及其分布特性等具有獨特性，一旦發生火災會對船舶生命力造成重大威脅[1-3]。此外，船舶火災損害管制以“預防為主，防治結合”，側重于艙室火災撲救[4]。煙氣作為一種復雜的熱浮力驅動流，與艙室火災發展蔓延密不可分，是船舶火災研究的重要方面[5-6]。本文以船舶艙室火災為例，研究頂部開口條件下火災煙氣的流動蔓延特性及其對上層甲板艙室的影響：1）探討分析頂部開口艙室煙氣氣體交換及其影響因子；2）建立頂部開口艙室虛點源簡化模型，對火災煙氣流動蔓延規律進行建模分析；3）以實船火災縮尺試驗為例對甲板間煙氣流動蔓延規律模型進行CFD 仿真驗證。

1 船舶艙室煙氣填充過程

船舶艙室以頂部開口為主，尤其是水線面以下艙室。不同于豎直開口艙室，水平開口艙室火災煙氣在熱浮力驅動力下不斷卷吸冷空氣形成垂直向上煙羽流，并在艙室頂部形成撞擊羽流，少部分煙氣直接沿水平開口處垂直溢出形成開口溢流，大部分煙氣在卷吸和重力雙重作用下在艙室內豎向蔓延，如圖1 所示。

本文主要針對開口處煙氣交換模式及其影響因子進行探討分析，并結合CFD 仿真軟件對開口溢流煙氣進行理論分析和驗證。

1.1 開口氣體交換模式

船舶水平開口艙室火災煙氣在密度差和煙氣熱浮力等共同作用下進行氣體交換，其氣體交換模式復雜多變，與由密度差引起的壓力差 Pρ和由溫度差引起的壓力差Pex密不可分，開口壓差 P[7]為：

圖 1 頂部開口艙室火災煙氣填充示意圖Fig. 1The schematic diagram of fire smoke fiiling in ship cabin with ceiling openings

在開口氣體交換模式影響因子分析的基礎上，引入無量綱參數 B以表征由密度差和溫度差形成壓力差的比值對影響因子與氣體交換模式間相互關系進行總結分析。其中：

由理想氣體狀態方程得：ρaTa=ρgTg； Δ ρTg=ρaΔT 。

因此，式（2）可進一步簡化為：

由式（3）可知，無量綱數B 與火源熱釋放速率，開口當量直徑和開口溫升有關。當B＜0.10 時，水平開口氣體交換由 Pρ決定，Pex可忽略不計；同理當B＞1時，水平開口氣體交換由Pex決定， Pρ可忽略不計[8-9]。此外，無量綱數B 也被用來作為水平開口腔室氣體交換模式的判定依據，如圖2 所示。

圖 2 無量綱數B 與水平開口氣體交換模式間的關系Fig. 2The relationship betweent dimensionless number B and gas exchange pattern in horizontal opening

1.2 水平開口煙氣流動模型

煙氣質量流率和煙氣溫升等特征參數是開口艙室火災煙氣蔓延的基礎，是艙室開口處氣體交換的主要研究方面。在船舶艙室水平開口處煙氣流動參數分析過程中，通常采用M-Q-H 溫度預測方法和鹽水模擬類比方法對其溫度和質量流率進行估算[10-11]：

式中： A 為頂部開口面積； D為頂部開口當量直徑；ε為與煙氣溫度相關的參數， ε =-2(Ta-Ts)/(Ta+Ts)；h為艙室綜合換熱系數， h =0.002 9 Q˙1/3；AT為艙室傳熱面積。

2 水平開口點源簡化模型

船舶艙室水平開口處熱煙氣以溢流煙氣的形式流出艙外并在開口附近形成煙羽流區域，熱煙氣經煙羽流區域后以火羽流的形式在上層甲板艙室內蔓延。如圖3 所示，煙羽流區域熱煙氣近似為下方一點火源產生，并通過羽流卷吸作用在臨艙內垂向和縱向蔓延。在這一簡化模型中虛點源在高度 z0處 的羽流質量為 m˙0，溫升為ΔTs。因此，由虛點源假設[12-13]及其相關理論可知船舶艙室水平開口處虛點源火災特征參數為：

圖 3 水平開口艙室點源簡化模型Fig. 3The simplified model of point source in ship cabin with horizontal opening

在水平開口近點源模型假設的基礎上，溢流煙氣以點源火羽流垂直上升的形式在開口上方艙室內蔓延。溫度作為火災預警和人員撤離的主要依據，可由式（9）估算得到[5]：

3 理論分析和仿真驗證

以船舶水平開口艙室結構[14]為例，在開口煙氣流動蔓延相關理論的基礎上，結合CFD 火災仿真軟件對關鍵位置溫度變化和質量流量等特征參數進行理論估算、仿真分析和對比驗證，進而對開口煙氣近點源簡化模型適用性驗證性分析。選用開口尺寸和火源直徑為自變量，以小尺度船舶艙室小尺度平臺為研究對象開展相關理論研究。如圖4 所示，火源艙室和開口上方毗鄰艙室結構尺寸均為1 m×1 m×0.75 m；水平開口位于火源艙頂棚中心，開口尺寸依次為0.1 m×0.1 m，0.2 m×0.2 m，0.3 m×0.3 m，0.5 m×0.5 m；池火源位于火源艙艙底中心，油池直徑依次為0.1 m，0.2 m，0.3 m。

圖 4 船舶艙室小尺度平臺結構示意圖Fig. 4The structure schematic diagram of ship small scale platform

3.1 小尺度船舶水平開口艙室CFD 模型

在頂部開口艙室CFD 火災仿真過程中，采用t2火模擬實船油火，其火災增長系數 α為0.2 kW/s2；艙室網格劃分采用局部加密的方法：火源艙中心0.5 m×0.5 m×0.75 m 區域網格尺寸為0.01 m×0.01×0.01，其余區域網格尺寸為0.05 m×0.05 m×0.05 m。因此，參考池火燃燒特性相關理論[15]，仿真過程中池火燃燒特性參數和環境參數設置見表1～表3。

3.2 CFD 仿真分析

在水平開口煙氣流動蔓延模型簡化分析的基礎上，本文主要對油池中心線上溫度變化規律、開口中心線上溫度和壓力變化規律、水平開口煙氣凈流出量以及開口上方艙室近火源區域溫度縱向變化規律等進行測量分析。因此，仿真過程中豎直方向上熱電偶間距0.05 m，水平方向熱電偶間距0.02 m，開口處壓力探測器間距0.02 m。

3.3 煙氣流動參數對比分析

在開口煙氣近點源模型和煙氣流動模型的基礎上，對煙氣流過程中的煙氣質量流率和煙氣溫升等進行估算，并將這一估算結果與仿真結果進行對比分析，如表4 所示。可知：1）這一理論計算模型計算結果與仿真測量結果誤差在允許范圍之內，因此這一水平開口艙室近點源模型可應用于艙室火災危害性評估；2）火源艙連通艙室頂棚溫度受火源艙影響顯著，這與火羽流的流動和蔓延特性有關，因此在艙室火災危害性分析過程中應重點分析水平開口艙室間煙氣的流動蔓延特性；3）火源艙水平開口尺寸和火源直徑顯著影響臨艙頂棚溫度，因此可通過艙室溫度變化來確定著火艙室，為火災救援提供參考。

表 1 開放空間庚烷燃燒特性參數Tab. 1The haptane pool fire burning performance parameters in open space

表 2 不同直徑油池火火源特征參數Tab. 2The fire source charateristic parameters of fire source of different diameter pool fires

表 3 初始環境參數值Tab. 3The setting of initial environment parameters

圖 5 仿真過程中探頭布置圖Fig. 5The layout of measuring pionts in CFD simulation

表 4 多工況點源簡化模型理論計算和仿真結果對比分析Tab. 4 The theoretical and simulation analysis on point source simplified model under different conditions

4 結 語

本文在船舶頂部開口艙室煙氣填充中開口氣體交換模式和煙氣流動模型分析的基礎上，提出了水平開口點源簡化模型對甲板間煙氣流動蔓延規律進行理論探討分析，建立了小尺度艙室火災CFD 仿真平臺，以頂部開口和火源尺寸等為變量對這一理論模型進行仿真驗證。研究結果表明：

1）這一水平開口點源簡化模型可應用于火源艙上方艙室火災危害性評估，能夠直觀反映頂部水平開口艙室火災煙氣流動蔓延規律；

2）火源艙池火直徑和開口尺寸是影響艙室火災蔓延的主要因素，因此可通過封艙滅火的手段杜絕艙室間煙氣的蔓延以達到火災撲救的目的；

3）臨艙火災特征參數主要受火源艙池火直徑和開口尺寸影響，因此可通過火災探測裝置初步判定火源位置和火場狀況，為船舶火災救治提供參考。

此外，這一理論模型適用性驗證是建立在艙室火災CFD 仿真的基礎上，并未考慮火源高度、開口位置等參數對臨艙火災特征參數的影響，因此仍需開展相關課題的實驗和仿真研究，對船舶頂部開口煙氣流動規律進行深入探討分析。