船舶高大空間火災特性分析

王旭陽，張宏，鄧茹鳳，熊言義，胡洋

(中國船舶集團有限公司第七一三研究所 鄭州市特種場所火災防護技術重點實驗室，鄭州 450015)

船舶火災的危害主要體現在煙氣的高溫、毒害性，已有學者對船舶火災的發生、發展及火災防控進行了廣泛的研討。

在此前的研究成果基礎上，考慮對船舶高大空間在正常通風和關閉通風條件下進行火災場景仿真，利用FDS分析不同通風條件下空間溫度場和煙氣分布規律，了解煙氣蔓延過程。

1 船舶高大空間火災場景仿真

1.1 場景概述

船舶高大空間中布置有輔助設備，且含有燃料油，有發生火災的隱患，因此定義該位置為火源。選取圖1火源位置發生RP5燃料油池火火災為典型火災場景。

圖1 火源位置示意

該高大空間中布置有送排風口，通風模式考慮低速送排風。火源功率取為9 MW，火源面積取4 m，考慮低速送排風及關閉通風兩種狀態，設置兩種仿真場景見表1。

表1 該高大空間火災仿真場景

1.2 網格劃分

該空間由于尺寸較大，綜合考慮計算精度、計算機性能及計算時間，采用多重網格技術對計算域進行分區域網格劃分，火源附近使用精網格，遠離火源位置使用粗網格，對于考慮環境風的火災場景，火源下風向適當加密，相鄰區域網格尺寸比為1∶2。

不同的火災場景對網格尺寸的要求不同，通常使用無量綱表達式作為判斷計算流場準確度的標準，其中為最小網格尺寸，為火源特征尺寸，可通過下式計算。

(1)

式中：為總火源的功率，kW；為空氣的密度，kg/m；為空氣比熱，kJ/(kg·K)；為環境溫度，K；為重力加速度，9.81 m/s。

大氣環境條件為

=1.225 kg/m；

=1.005 kJ/(kg·K)；

=293 K；=9.81 m/s。

RP5單位面積熱釋放速率為=2 230 kW/ m，火源功率為9 MW。

火源特征尺寸=2.3 m。

綜合考慮計算精度及計算耗時，最小網格尺寸定義為0.25 m，此時=9.2。為了增加計算效率，網格仍然采用分區域網格劃分，模型中火源附近區域網格尺寸為0.25 m，其余區域網格尺寸為0.5 m，場景1、2仿真模型網格數量為155 520。

1.3 燃燒反應定義

根據文獻[8]，航空煤油(RP5)主要由C10～C16飽和烷烴、環烷烴、芳香烴以及烯烴等組成，由于航空煤油為復雜的混合物，仿真過程中難以完全準確描述其所有物質的燃燒反應，因此結合其平均分子量的大小，考慮采用其含量較高的CH為替代燃料，燃燒過程中涉及的燃燒熱等相關參數仍按航空煤油的物性參數設定。

1.4 火源參數設置

實際發生火災時，火源情況非常復雜，為了便于計算機模擬，采用目前世界上最普遍使用的火災模型對火源進行抽象及簡化處理。根據火災增長系數的值，定義4種標準火災：慢速火、中速火、快速火和超快速火，見表2。

表2 定義4種標準t2火災類型

火災模型的表示在增長階段火源功率和成正比，其二次方程如下。

=

(2)

式中：為火源功率，kW；為火災增長系數，kW/s，根據火災分級取值；為時間，s。

該高大空間中火源功率為9 MW，計算得到火源達到最大熱釋放速率所需時間為=219 s。仿真過程中火源熱釋放速率見圖2。

圖2 PR5噴氣燃料熱釋放速率

1.5 邊界條件設置

模型中邊界主要有送風口和排風口。為增加計算精度，考慮保證通風量不變，略微調整送風口模型尺寸，使模型中通風口邊界與網格邊界重合，模型區域送風時有兩臺風機，對應送風口總尺寸為4 m×2 m，送風口邊界設置為送風邊界supply，風速通過排風機低速排風量與送風口面積的比值計算為2.43 m/s，建立兩個排風口，尺寸均為2 m×2 m，排風口設置為開放邊界open。模型中壁面均設置厚度為12 mm的鋼板。

1.6 溫度測點及剖面

為了獲取各時刻溫度場及特征點的數據，布置如圖6所示的熱電偶(溫度測點)。火源中心位置坐標為(111，19，0)，在火源上方分別沿、、3個方向布置熱電偶。其中：方向上熱電偶均布置在高度=4 m的平面內，測點數量共7個分別為TX01～TX07，沿方向，在=80～140 m范圍內每隔10 m布置1個；方向上，在高度為4 m的平面上布置5個溫度測點分別為TY01～TY05，沿方向，在=4～20 m范圍內每隔4 m布置1個；高度方向上在火源中心位置上方=2～6 m范圍內每隔2 m布置1個熱電偶，具體溫度測點布置見圖3。

圖3 溫度測點布置示意

2 仿真結果與分析

2.1 正常通風時仿真結果分析

場景1火災仿真中溫度測點結果見圖4，圖4a)為和方向典型測點溫度曲線，各測點布置在距火源中心的水平距離3～31 m范圍內，這些測點的溫度可代表空間內除火源附近區域外大部分位置的溫度。

可以看出，這些測點溫度變化趨勢基本一致，同一時刻溫度值相差不大，距火源中心水平距離3 m(TY04)與距火源31 m位置(TX01)溫度相差不超過20 ℃。此外，圖4a)中溫度曲線也代表了空間內大部分區域的溫度變化過程，在火災發生后175 s時間內，空間內大部分區域溫度受火災影響較小，距離火源最近的測點TX04溫度上升至31 ℃，其余測點溫度均在25 ℃以下；而當時間超過175 s，在360 s之前時，空間內溫度場受火災影響明顯，各測點溫度急劇上升，均從室溫附近上升至64～80 ℃，溫升速率可達到0.3 ℃/s；之后空間內溫升速率開始下降，各測點溫度隨著火災發展而緩慢升高，20 min時空間內溫度可達110 ℃左右。通過空間溫度場變化可得，175 s前空間內除火源附近外的其他區域遭受的火災危害性較小，火災對空間內其他設備人員造成的損害最小，因此該高大空間內發生火災后175 s前是滅火的最佳時機。

圖4b)為火源中心正上方不同高度位置溫度變化，可以看出有風條件下TZ01測點溫度波動較大，這也由于通風加劇火焰脈動，TZ01測點溫度脈動峰值可達到920 ℃，平均溫度約為600 ℃。火源中心正上方高度越高的位置，測點溫度越低，高度分別為4 m和6 m的TZ02、TZ03測點平均溫度可分別達到505 ℃和490 ℃。

圖4 測點溫度變化

發生火災后該高大空間內煙氣層高度隨時間的變化見圖5。由圖5可見，火災發生后，燃燒產生煙氣快速上升至空間頂部，并在頂部聚集，隨著煙氣的聚集，煙氣層高度開始下降，大約450 s后煙氣層高度趨于穩定，煙氣層高度穩定在2.35 m左右。

圖5 該高大空間內煙氣層高度

不同時刻該高大空間內=19 m剖面的溫度見圖6。

圖6 不同時刻溫度云圖，Y=19 m

由圖6可見，隨著火災發展，空間內溫度持續升高，=60 s時，火災處于發展初期，僅火源正上方區域有小幅溫升；=120 s時，火源正上方溫升明顯，高溫區域范圍擴大，但該高大空間內其他區域溫度基本還維持在常溫，受火災影響較小；=240 s時，空間頂部區域溫升明顯；=600 s時，該空間內溫度整體上已經有明顯上升，并且越靠近該高大空間頂部的區域溫度越高。另外受風速的影響，火源正上方高溫區域向排風口附近有一定程度偏移。

2.2 關閉通風時仿真結果分析

關閉通風時，空間處于密閉狀態，由于燃燒反應消耗氧氣，當空間內氧濃度降低到一定程度時，火焰逐漸減弱并熄滅。關閉通風時該高大空間內火災仿真結果見圖7。圖7a)為、方向上布置測點的溫度變化，這些測點的溫度變化趨勢基本可以反映該高大空間內溫度變化過程；0～144 s時，空間內溫度變化很小，除了距離火源中心3 m的TY04溫度上升至33 ℃左右，圖中其他測點位置溫度均不超過25 ℃；火災發生144 s后，403 s前，空間內溫度急劇上升，溫升速率可達到0.28～0.34 ℃/s，403 s時，TY04溫度上升至120 ℃，其余測點溫度上升至95 ℃左右；403 s后，空間內溫升速率下降至約0.03 ℃/s，約為之前溫升的1/10，持續升溫至1 951 s時，由于火勢快速衰減，空間內溫度開始下降，溫度下降速率約為0.12 ℃/s。相比于通風工況，該高大空間內除火源附近外其他區域安全時間更短，這主要是由于通風時部分熱量從通風口溢出，而密閉條件下空間內熱量更容易積累。因此，密閉條件下能在火災發生后144 s內投入滅火系統是減小火災損失的重要措施。

圖7 測點溫度變化

圖7b)為火源正上方測點的溫度變化，可以看出，=219 s時火源熱釋放速率達到峰值，此時火焰溫度最高，火源正上方2 m位置的TZ01溫度峰值可達1 090 ℃，但由于氧氣的持續消耗，燃燒反應速率減慢，火焰正上方開始小幅度持續降低，火源中心正上方高度為2 m的測點TZ01溫度在320 s后開始緩慢下降，TZ02和TZ03測點溫度也先上升后下降的趨勢，并且高度越高的位置，溫度開始下降的時間越滯后；1 951 s時，該高大空間內溫度開始快速下降，2 075 s時火焰完全熄滅，火源正上方測點溫度直線下降，2 090 s后，火源正上方溫度下降至與該高大空間內其他區域溫度接近，隨后開始緩慢下降。

相比于通風條件下，密閉條件下火災會自發熄滅，并且火源達到最大熱釋放速率后，火焰火勢逐步減小，測點溫度持續下降，通風條件下，火源燃燒溫度基本維持穩定，從火源的角度上看，密閉條件下火災危害性小于通風條件下。然而密閉條件下，該高大空間內熱量更容易積累，火源附近位置外的其他區域溫度基本不受火災影響的時間縮短，且火源穩定燃燒階段，密閉條件下該高大空間內溫度略高于通風條件下，因此，從該高大空間內溫度分布看，密閉條件下該高大空間內發生火災時的火災危害性大于通風條件。

密閉條件下發生火災后該高大空間內煙氣層高度隨時間的變化見圖8。

圖8 該高大空間內煙氣層高度

由圖8可見，火災發生400 s時，煙氣基本充滿空間，煙氣層高度趨于穩定，煙氣層高度穩定在1.75 m左右，相比于通風條件下，密閉時空間內煙氣層高度更低，煙氣危害性更大。

圖9為該高大空間內距離火源11 m、高4 m位置處O體積分數的變化，可以看出，火災發生后該高大空間內氧氣體積分數持續下降，當氧體積分數下降至11.2%時，火焰完全熄滅，該高大空間內氧體積分數不再下降。

圖9 該高大空間內氧氣濃度的變化

不同時刻空間內=19 m剖面溫度云圖見圖10。

圖10 不同時刻溫度云圖，Y=19 m

由圖10可見，隨著火災的發展，該高大空間內溫度持續升高，=120 s時，火源正上方溫升明顯，該高大空間內其他區域溫度基本還維持在常溫，受火災影響較小；=600 s時，空間內溫度已經有明顯程度的上升，且靠近火源頂部的區域溫度較高，這主要是高溫煙氣在頂部聚集的緣故；=2 000 s時，火焰衰減明顯，火源正上方溫度較之前有明顯下降，但仍明顯高于火源周圍溫度；=2 075 s時，火焰已完全熄滅，火源正上方溫度快速下降至接近空間內其他區域溫度。

3 結論

1)發生火災后，通風條件下除火源附近外的其他區域溫度場變化均經歷維持常溫階段、快速溫升階段和持續緩慢溫升階段；而關閉通風時該高大空間內溫度場還存在一個衰減階段。

2)通風時，投入最佳滅火時間為火災發生后175 s，關閉通風時，投入最佳滅火時間為火災發生后144 s。

3)在溫升階段，關閉通風時該高大空間內溫升更快，快速溫升和持續緩慢溫升階段溫升速率分別達到0.34 ℃/s與0.03 ℃/s，而通風條件下這兩個溫升速率僅為0.3 ℃/s和0.013 ℃/s。

4)通風時，該高大空間內煙氣層的高度為2.35 m，而關閉通風時該高大空間內煙氣層高度下降至1.75 m，關閉通風時煙氣危害性較大。

5)關閉通風時該空間溫度場受火災影響更明顯，火災危害性更大。