大型郵輪高大空間火災特性研究

楊萬里，宋振森，2

(1. 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2. 上海市公共建筑和基礎設施數字化運維重點實驗室，上海 200240)

1 引言

據《郵輪綠皮書中國郵輪產業發展報告 (2017) 》[1]指出， 2016年中國已成為全球第二大郵輪市場。郵輪空間擁擠，人員密集，可燃物眾多，具有很大的火災風險，國內外多起郵輪火災事故給敲響了警鐘。航行在大海上的大型郵輪，一旦發生火災，不僅造成嚴重經濟損失而且疏散救援難度巨大；而消防系統的誤報，不但會消耗有限的消防資源，同樣會造成大量的財產損失。研究郵輪的火災特性，對郵輪人員疏散和合理設置火災探測系統，是很有必要的。

目前國內外對郵輪火災基本規律的研究位置上主要著眼于在郵輪的住艙區：如李文勇，熊軍研究了機械排煙對郵輪火災煙氣發展的影響，優化了郵輪排煙系統設計[2]；程楓研究了水噴淋系統對郵輪火災的冷卻作用并分析了對疏散的影響[3]；劉眾掣建立了郵輪住艙火災的相似尺度模型[4]。而對郵輪內部高大空間火災特性的研究極少。影劇院是郵輪內部最常見，最具有代表性的高大空間，具因此本文選取郵輪中以影劇院為核心的一部分典型空間作為研究對象，使用FDS軟件建立火災模型，數值模擬其火災過程，通過煙氣蔓延規律，溫度場，CO濃度三個方面研究其火災特性，希望能為郵輪高大空間火災下的人員疏散與郵輪消防設計提供一定的參考依據。

2 典型高大空間特征

郵輪內部的高大空間是指室內凈高8米以上，或跨越3層及以上甲板的起居公共場所。它們具有內部空間大，氧氣充足的特點，一旦發生火災火勢發展迅速。影劇院就是郵輪內部高大空間的典型代表。

研究對象取自某四星級大型郵輪，該郵輪全長323.6米，寬度為37.2米，噸位135500噸，整個郵輪共16層甲板，共計房間2116間，可承載游客5260人。此郵輪中的影劇院橫跨七，八，九層甲板，如圖1所示。

圖1 某大型郵輪第七層甲板平面圖

影劇院周圍環繞著眾多客艙，通過狹長走廊相連。如圖2所示。

圖2 影劇院局部放大圖

3 典型高大空間的FDS模擬

本文采用的模擬軟件為美國國家標準技術局(NIST)開發的計算流體動力學軟件FDS。該軟件采用數值差分法解算低馬赫數流動的納維克斯粘性流體方程(N-S方程)來解決湍流問題，其可靠性得到了大量的工程驗證。

3.1 火災模型

建模時選取了影劇院所在的主豎區，大小為64.5m×31.4m×8.25m，共計三層。其中影劇院的平面尺寸為17.4m×16m，貫通三層影劇院內設200個座椅，舞臺及銀幕位于正前方，最底層的兩邊設置出口連通到走廊，出口高度位2000mm，寬度為400mm，走廊寬度為1200mm；周圍為住艙，均為標準雙人間，其尺寸為5800mm×2900mm，艙門寬900mm，高2000mm。影劇院左側中部為常年封閉的空調機組，本文不予考慮。不額外設置通風口，僅考察通風控制下郵輪影劇院的火災發展特性。

圖3 典型空間火災模型

3.2 火災荷載

火災荷載是指房間內所有可燃物完全燃燒時所產生的總熱量。參考文獻[6]中的常見材料熱值表并結合影劇院的實際情況，計算影劇院火災荷載的結果如表1所示。

表1 郵輪影劇院火災荷載統計表

從表中可知郵輪影劇院內的可燃物主要是座椅，火災荷載為104730.8 MJ，而影劇院的大小為17.4m×16.0m，因此影劇院的火荷載密度q為376.2MJ/m2。

3.3 源設置

在火源功率的設置時考慮完全發展型火災和受水滅火系統控制的火災兩種情況。基于火災設計原則，首先考慮在可燃物堆積處發生火災的情況，其次考慮對疏散通道阻塞或容易造成人員心理恐慌的位置[7]。

3.3.1 完全發展型火災

完全發展型火災一般經歷初期增長階段、充分發展階段和衰減階段等三個階段，其熱釋放速率隨時間的變化曲線如圖4示。

圖4 完全發展型火災的熱釋放速率曲線

由圖4分析可知，初期增長階段，火災熱釋放速率按照t2火模型發展；充分發展階段，火災熱釋放速率達到最大值且處于穩定階段，由下列公式計算：

(1)

式中：At——房間的總表面積，m2

A0——房間開口面積，m2

H0——房間開口高度，m

Qp——火災熱釋放速率最大值，kW

對于本文中的郵輪影劇院，則有：

3.3.2 受水滅火系統控制的火災

噴水滅火系統有效作用的情況下，火災將受到抑制。在消防安全工程學中，通常通過火源功率的設置來等效噴水系統的作用，且假設噴水系統啟動后熱釋放速率不再增大[8]。則熱釋放速率的最大值為

(2)

其中，Qp——熱釋放速率最大值，kW

t0——火災發生的時間，s

t1——噴水系統開啟的時間，s

q(t)——火源功率增長函數，kW/s

采用t2火模型，并設火災開始時間為0，則

Qp=α×t2

(3)

α——火災增長因子，kW·s-2

t——噴水系統開啟的時間，s

國家規范《GB51251-2017建筑防煙排煙系統技術標準》[9]根據式中值的不同，將火災分成了四類，具體定義見表2。

表2 火災類別與α值

而郵輪影劇院內的可燃物主要是座椅、銀幕、地毯等，因此可以判定影劇院火災類型為快速火，取α=0.0440 kW/s2，

噴水系統開啟的時間t的設定則參考文獻[8]中的方法：設火災發生到被消防系統探測到的時間為25s，探測報警時間為30s，定位延遲控制時間為120s。t=25+30+120=175s，再考慮1.5倍的安全系數，則熱釋放速率最大值Qp=1.5×α×t2=2.0MW。

3.3.3 工況設置

影劇院作為大型郵輪的一種典型空間，內部空間高大，座椅密布，因此將火源設置在座椅區域的中部作為一個位置工況，且考慮完全發展火災和受控火災兩種火災發展模式；而舞臺側面的大門作為影劇院的出口，對人員疏散意義重大，因此將火源設置在最靠近這個出口的第一排座椅作為第二個位置工況；由于影劇院座椅區的階梯式布置，后排座椅的高度較大，為研究這個位置火災的發展規律，將第三個位置工況設為影劇院最后一排中央。所有工況詳情如表3所示。

表3 工況列表

在整個影劇院共設置七個測點，包括影劇院中央，各工況火源正上方等位置。每個測點從z=2m到z=8m高度方向上每隔1m設置一個熱電偶和CO濃度探測器以監測影劇院的溫度場和CO濃度場；影院中央設置層分區設備獲取煙氣層高度。如圖5所示。

圖5 影劇院火源位置與測點示意圖

沿一樓走廊縱向每隔2m，距離甲板地面0.5m，1.0m，1.5m，2.0m處布置一個煙氣速度探測器以獲取煙氣沿走廊的蔓延速度信息，如圖6所示。

圖6 走廊測點示意圖

圖7 走廊測點側視圖

3.4 網格劃分

(4)

式中：

Q——最大熱釋放速率，kW

ρ∞——環境空氣密度，kg/m3

cp——環境空氣比熱，kJ/kg·K

T∞——環境空氣溫度，K

當火源功率為2MW時，D*=2.6m，此時網格尺寸應介于[0.16m，0.65m]之間；火源功率為10MW時，D*=5.0m，此時網格尺寸應介于[0.31m，1.25m]之間。本文所有工況中網格尺寸均取為0.5m×0.5m×0.5m。

4 典型高大空間火災特性分析

根據前述參數建立火災模型，進行數值模擬，重點從溫度場分布、煙氣蔓延規律和CO氣體的濃度等三個方面研究大型郵輪影劇院火災發展規律。

4.1 郵輪高大空間溫度場特性

郵輪影劇院火災溫度場主要受火源熱輻射，熱對流和氧氣濃度的影響，溫度的發展過程主要有上升、平穩、下降3個階段。火源附近的溫度場主要受熱輻射影響，在火災發展階段溫度上升速度和最高溫度遠高于其它區域；熱煙氣聚積在影劇院高處，且距離火源較遠，因此影劇院高處的溫度場主要受熱對流的影響。

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4.1.1 工況A

工況A測點5各高度的溫度曲線如圖8所示。

圖8 工況A測點5溫度曲線

在火災增長和發展階段，測點5的溫度迅速上升，遠高于其它測點對應高度的溫度。這個階段高度越高，距離火源越遠，溫度就越低，270s左右最高溫度達到780℃。而當熱煙氣逐漸聚集在頂棚時，受熱對流傳熱影響，z=8.0m處的溫度超過了z=2.0m外的其它位置。

處于空氣中的易燃物，在著火狀況下含氧量低于14%時，便不足以維持其燃燒[11]。大約600s后，由于氧氣的不足(如下圖所示)，燃燒速率大大降低。

圖9 工況A氧氣濃度切片圖

950s左右溫度進入下降階段，此時各位置溫度均以一種緩慢的速率下降，在800s內，各高度上的溫度降到了36℃左右。

工況A測點1各高度的溫度曲線如圖10所示。

圖10 工況A測點1溫度曲線

在火災增長和發展階段，測點1各高度溫度快速上升，大約280s進入平穩階段。由于距離火源位置較遠，因此熱對流是溫度增大的主要因素，溫度隨高度增加而增加，最高溫度約為215℃。900s時，進入下降階段，與測點5類似的是，所有高度上的溫度緩慢下降，但由于熱煙氣分布的差異，各高度之間存在明顯的溫度差。

對比測點5和1的溫度曲線發現測點3與測點1除z=2.0m外的其它位置有著相似的溫度發展規律，且溫度數值差距不大。而測點5中z=2.0m位置距離火源太近，火源外焰的劇烈變化使得該處的溫度發展呈現一種不穩定的狀態。

由于對稱性，工況A測點1與測點2，測點3與測點4的火災特性相同；影劇院的階梯式布置雖然使得測點3、4所在位置的高度大于測點1、2，但工況A中這種差異對于溫度發展的影響很小，測點3的最高溫度約為220℃。

4.1.2 工況B

工況B測點6各高度的溫度曲線如圖11所示。

圖11 工況B測點11溫度曲線

工況B火源位于第一排座椅，高度低于工況A，故z=2m處的溫度明顯低于工況A，最高溫度為620℃，高處的溫度分布則相近。相比于工況A，整體溫度場的高溫中心偏移。

為獲取火源遠點的溫度特性，故對工況B測點4各高度的溫度進行考察，如圖12所示。

圖12 工況B測點4溫度曲線

測點4為距離火源最遠的測點，再結合其它測點的溫度數據更加證實了：偏離火源一定距離的位置上的溫度發展呈現出大致相同的特性。均為260s左右快速增長至平穩階段，在氧氣濃度的消耗上與工況A類似，大約580s左右濃度降到14%，如圖13所示。

圖13 工況B氧氣濃度切片圖

850s左右進入下降階段，溫度緩慢下降；高度越高溫度越高，但進入下降階段以后，由于熱煙氣向外蔓延，這種溫差就越來越小。距離火源越遠，整體溫度越低，測點1(近點)的最高溫度為260℃，測點4(遠點)的最高溫度只有175℃。

4.1.3 工況C

工況C測點7各高度的溫度曲線如圖14所示。

圖14 工況C測點7溫度曲線

工況C火源位于最后一排座椅，z=2.0m處的最高溫度為980℃；z=4.0處的最高溫度也達到了490℃，可見火源位置的抬升使下層的溫度明顯變大，但隨著高度的增大，這種影響越發不明顯。

工況C測點1各高度的溫度曲線如圖15所示。

圖15 工況C測點1溫度曲線

而其它測點，測點3(近點)的最高溫度為300℃，測點1(遠點)的最高溫度為260℃。距離增大而造成的溫度差距相對值與工況B相似。氧氣濃度大約560s降到14%，如下圖所示。

圖16 工況C氧氣濃度切片圖

4.1.4 工況D

工況D測點5各高度的溫度曲線如圖17所示。

圖17 工況D測點5溫度曲線

工況D火源位置溫度在上升階段與工況A類似，280s左右z=2.0m處達到最高溫度980℃，相比工況A增長幅度一般，接近工況C的最高溫度。火源附近位置主要受火焰輻射傳熱，距離遠近的變化對熱輻射通量影響很大，從而使溫度顯著變化。但由于影劇院內氧氣濃度在350s左右就降到了14%，如圖18所示。因此工況D相比其它工況A更早進入溫度下降階段。

圖18 工況D氧氣濃度切片圖

工況D測點1各高度的溫度曲線如圖19所示。

圖19 工況D測點1溫度曲線

工況D測點1處最高溫度為385℃，相比工況A同測點溫度大幅增加。同樣的，由于氧氣的不足，測點1的溫度也更早進入下降階段。

4.1.5 小結

郵輪高大空間火災溫度場有如下特性：

火源附近的溫度遠高于其它區域，變化劇烈。不僅火源功率的增大能顯著提高溫度，對距離的變化也非常敏感：工況A最高溫度為780℃，功率相同，測點由于火源位置抬升而距離火源更近的工況C最高溫度為980℃；而火源功率大幅增加的工況D同位置最高溫度也接近980℃。

而非臨近火源區域的溫度發展則存在相似的特性：溫度曲線形狀相似，溫度數值隨距離變化一般。工況A測點1(2)與測點3(4)最高溫度僅差5℃，工況B火源遠點最高溫度也達到了175℃。高度越高，溫度越高。

火源功率的增大顯著提升所有位置的溫度，加快火災發展階段溫度上升速率，工況A，270s左右達到最高溫度780℃，而相同時間工況D達到了970℃。但氧氣的劇烈消耗使得工況D的溫度提前進入衰減階段，500s左右溫度就顯著下降。

4.2 大型郵輪煙氣蔓延規律

4.2.1 煙氣在影劇院的蔓延過程

火災發生后火源位置處釋放出大量的熱量，使得相鄰流體之間存在溫度梯度和密度梯度，進而產生浮力效應。在火羽流中，煙氣屬于輕流體，空氣屬于重流體。郵輪影劇院這種高大空間結構中，由于上空沒有阻擋物，熱煙氣在浮力作用下，從火源位置迅速向上傳播，撞擊到頂棚時向四周擴散，形成頂棚射流。如圖20所示。

圖20 工況A頂棚射流圖像

由于四周墻壁的限制，熱煙氣鋪滿整個頂棚后便會沿著頂棚下表面流動，形成煙氣層，自上而下的填充整個影劇院的中上層空間，如圖23所示。遇到開放的出口時向外蔓延，影響郵輪的其它區域。

圖21 工況A煙氣下沉圖像

影劇院煙氣層高度隨時間變化圖像圖22所示。

圖22 工況A影劇院煙氣層高度

影劇院中央的煙氣層高度迅速下降至3.5m左右，但由于頂棚射流，煙氣從四周急速下降，中央位置高處煙氣的流失使得煙氣層高度出現回升。最后煙氣幾乎充滿整個影劇院，煙氣層下降至臺階地面。

4.2.2 煙氣在模型整體的蔓延過程

以工況D為例，研究火災煙氣在整個典型空間的蔓延過程。從影劇院右側溢出的火災煙氣在狹長的走廊中迅速蔓延，不到120s煙氣前鋒就蔓延到了走廊的另一側。同時受艙室阻擋限制，向兩端擴散，逐漸填充經過的艙室。而影劇院左側的煙氣則有一部分通過樓梯向上迅速蔓延至典型空間的最高層甲板。

圖23 工況D煙氣走廊蔓延圖像

257s時，工況D走廊煙氣蔓延速率如圖24所示。

圖24 257s工況D走廊煙氣速率

此時煙氣前鋒在走廊主要沿頂棚前進，部分煙氣進入周邊的客艙因此沿縱向距離影劇院門口越遠煙氣速率越低。

497s時，煙氣已經幾乎彌漫了整個模型的一層的絕大部分區域，二層，三層也有許多區域受到煙氣的影響。

圖25 497s工況D火災煙氣圖像

上升到2層，3層甲板的煙氣在填充了沿途的艙室、廁所等空間后開始進入走廊并迅速蔓延，可以看出由于浮力羽流導致的煙氣上升使得樓梯連接的最高層甲板相比于其它非火災發生層，最先受到火災煙氣的影響。

圖26 1800s工況D火災煙氣蔓延圖像

4.2.3 小結

各工況煙氣蔓延時間節點如表4所示。

表4 各工況煙氣蔓延時間節點

由此可見火源位置對影劇院火災煙氣蔓延到走廊，影響其它空間的時間的影響較小，因此隨后在郵輪整體的火災煙氣蔓延行為差異也不大；而增大火源功率則會顯著加快火災煙氣蔓延的速度。

4.3 郵輪高大空間CO濃度特性

CO是火災煙氣中主要的有毒氣體，是由于不完全燃燒產生的，工程中常用CO濃度作為煙氣危害的判斷標準。根據SONG Xiao-ya等人的研究[12]，CO濃度超過500×10-6時，人員安全將受到嚴重威脅。

郵輪影劇院的CO濃度發展主要分為快速上升和緩慢上升兩個階段：前者是由于火勢的不斷增大，氧氣不足以支持完全燃燒，從而大量出現CO；后者則是由于氧氣的嚴重不足，燃燒強度大幅降低，從而導致CO生成速率大為衰減。隨著高度增加，CO濃度輕微增大。

工況A測點5各高度的CO濃度曲線如圖27所示。

圖27 工況A測點5的CO濃度曲線

由圖可知，隨著熱釋放速率的增大，工況A大約240s時氧氣不足以支持完全燃燒，CO濃度進入快速上升階段，各高度上的CO濃度很快就達到了500×10-6，由于接近燃燒反應區，z=2.0m位置CO濃度波動較大；1000s左右CO濃度增長速率變慢，此時各高度上CO濃度差距不大。影劇院CO濃度切片圖如下所示，發現各位置CO濃度基本相同，均為3500×10-6左右。

圖28 工況A一氧化碳濃度切片圖

工況B測點1各高度的CO濃度曲線如圖29所示。

圖29 工況B測點1的CO濃度曲線

工況B測點4各高度的CO濃度曲線如圖30所示。

圖30 工況B測點4的CO濃度曲線

從圖中發現工況B近點(測點1)與遠點(測點4)的CO濃度曲線差距不明顯。相比工況A，CO濃度變化也不大。

工況C測點1各高度的CO濃度曲線如圖31所示。

圖31 工況C測點1的CO濃度曲線

結合工況A，B，C的結果，發現對于郵輪影劇院中大部分非火源臨近區域而言，CO濃度與火源和測點位置的關系不大：均在800s左右上升到3100ppm，而后增長速率變得緩慢，最終達到3500ppm。可用分段線性模型近似表示所有這種位置的CO濃度。

而火源臨近位置在快速上升階段CO濃度波動較大，緩慢上升階段CO濃度增長速率的衰減低于前者，但總體CO濃度水平差距不大。

工況D測點1的CO濃度豎直分布如圖32所示。

圖32 工況D測點1的CO濃度

增大火源功率，不僅顯著提高了整體的CO濃度，還大大加快了前期CO濃度的增長速度，但劇烈的氧氣消耗導致整個影劇院的CO濃度提前進入緩慢增長階段。

5 結論

本文從一實際大型豪華郵輪中選取典型空間，建立火災模型，使用FDS軟件進行仿真計算，根據仿真結果得出如下結論：

1)郵輪高大空間火源臨近區域和非火源臨近區域的溫度和CO濃度發展特性存在明顯的差異；而非火源臨近區域之間的溫度和CO濃度則存在著相似的規律。

2)火源臨近區域的溫度遠高于其它區域，變化劇烈，對距離的變化非常敏感；非臨近火源區域的溫度曲線形狀相似，隨距離改變溫度數值有一定的變化。

3)改變火源位置對煙氣下沉至門口的時間影響不大，從而對煙氣在郵輪整體的蔓延過程影響較小。煙氣一旦蔓延至樓梯，則通過樓梯連接的最高層甲板相比于其它非火災發生層最先受到煙氣的影響。

4)火源臨近區域的CO濃度在快速上升階段波動較大，后續階段這種波動消失且濃度與其它區域趨于一致；非火源臨近區域的CO濃度不僅發展曲線相似，且數值差距不明顯；可用分段線性模型近似描述郵輪高大空間的CO濃度變化規律。

5)增大火源功率，會顯著提升火災發展階段郵輪高大空間的溫度和CO濃度，加快煙氣蔓延速率和CO濃度上升速率，加劇對人員安全的威脅；但由于氧氣的劇烈消耗，使得溫度和CO濃度提前進入衰減階段。