基于PyroSim的飛機貨艙火災仿真模擬

摘 要：以我國民航客機中最為常見的機型波音737-800型客機為例，參考美國聯邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）的相關實驗，通過仿真軟件PyroSim對飛機在停靠過程中發生貨艙火災進行數值模擬，共分析不同裝載率的貨物燃燒、貨艙門關閉、有風和存在危險的易燃易爆物品4種情況，得到貨艙火災的熱釋放速率和溫度隨時間變化情況。仿真結果符合實際，與相關實驗數據相吻合，并對結果進行分析，提出一些關于飛機防火的建議，為機場消防站的布局和訓練滅火、火災報警器的設計等提供參考。

關鍵詞：PyroSim；波音737-800；飛機貨艙火災；火災仿真；熱釋放速率

中圖分類號：V37 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0059-07

Abstract： Taking Boeing 737-800， the most common type of civil airliner in China， as an example， with reference to the relevant experiments of the Federal Aviation Administration（FAA） of the United States， the cargo hold fire during parking is numerically simulated by the simulation software PyroSim， and four conditions of cargo combustion， cargo door closure， wind and dangerous flammable and explosive materials with different loading rates are analyzed. The heat release rate and temperature of cargo hold fire with time are obtained. The simulation results are consistent with the reality and consistent with the relevant experimental data， and the results are analyzed， and some suggestions about aircraft fire prevention are put forward， which provides a reference for the layout and training of airport fire stations and the design of fire alarms.

Keywords： PyroSim; Boeing 737-800; aircraft cargo hold fire; fire simulation; heat release rate

火災是當今世界上發生頻率高，產生危害和損失大的災害之一，對人類的生存和發展有嚴重威脅。如今，世界民航事業飛速發展，伴隨而來許多民航安全問題，例如在民航領域頻繁發生的火災事故造成了嚴重的生命和財產損失，嚴重限制了民航業的快速發展，飛機火災又具有可燃、易燃物多，火勢蔓延速度快、危險性大、撲救困難等特點[1-2]。因而急需開展面向火災模擬仿真的研究工作，這對于指導抑制火災的傳播、正確高效的滅火、保障民航業安全穩定的工作具有重要意義。

目前許多科研工作者在飛機火災建模、仿真、滅火等一系列問題上做了大量的工作，積累了豐富的經驗[2-4]，但是這些飛機火災研究的場景大多比較單一，極少有針對不同工況下的研究分析。因此本文在前人的基礎上以飛機在停靠過程中發生貨艙火災為例，對不同工況下的飛機貨艙火災進行數值模擬，分析其燃燒情況和變化規律，為機場消防站的布局和訓練滅火、火災報警器的設計等提供參考。

1 飛機貨艙火災的場景設定

1.1 Pyrosim功能介紹

Pyrosim是一款用于消防模擬的軟件，它以計算流體力學為基礎，直接調用FDS計算核心和Smokeview，并輸出數據，被廣泛用于建立消防模擬，模擬火災的范圍很廣，并對火災中煙氣的運動、溫度和毒氣濃度進行準確預測分析[5]。該軟件可以建立模型，導入FDS軟件進行運算，由Smokeview顯示模擬結果并輸出數據。具體功能如圖1所示。

1.2 飛機貨艙模型搭建

目前我國航空運輸常見的主力機型為波音737-800，貨艙分為前貨艙和后貨艙，本文以前貨艙為例進行火災的仿真模擬。貨艙容積19.6 m3，其尺寸如圖2所示。Pyrosim的流體動力學模型是求解適用于熱驅動的低速流動N-S方程，具體數值方法是空間和時間上具有二階精度的顯式預測校正算法，由于方程離散方法的限制，計算區域及內部物體只能為長方體及其組合體[6]。而飛機貨艙存在弧面部分，所以首先需要在SoildWorks上建立飛機貨艙的三維模型如圖3所示。

將該三維模型的dxf文件格式導出至Pyrosim軟件中，軟件會自動用多個長方體組合近似逼近代替飛機貨艙的弧形部分，弧面部分按等效體積折算為FDS易于處理的長方體，轉換為FDS輸入文件格式再通過拉伸并添加其他模型設置場景等，最后在Pyrosim中建立飛機貨艙火災燃燒模型，如圖4所示。

參考FAA的相關實驗，艙體材質設置為合金，飛機合金材料質量密度為2 800 kg/m3，考慮到飛機內部空間，設顆粒質量密度為280 kg/m3。行李箱尺寸設置參考目前最為常見的20寸行李箱，尺寸設置為50 cm× 40 cm×20 cm即0.04 m３。為了仿真結果與實際火災燃燒情況貼近，在燃燒材料上分別選用了纖維、PVC、泡沫、乙醇，各材料參數見表1。

1.3 復雜熱解模型的設定

設定熱解參數的火災是通過設置燃料的熱物理屬性和熱解參數，FDS根據設定的參數及火災的熱反饋狀況對燃料進行熱解，進而產生可燃氣體。飛機貨艙火災作為固體燃料火災分別需要對熱解產物和熱解速率進行設定。在熱解產物方面，可燃物的熱解產物包括可燃氣體和固體殘留物，如圖5所示。

在熱解速率方面，當溫度到達一定值后熱解開始，質量分數減小，反應速率增加，反應速率達到峰值的溫度即為FDS的參考溫度。熱解發生在參考溫度之前，燃料的熱解需要吸收一定的熱量稱為反應熱。研究表明，質量分數Ys是時間t和溫度Ts的函數，表達式為

式中：A為指前因子，E為活化能，R為常數。

可見固體燃料的熱解速率取決于指前因子與活化能，其值確定后，FDS即可計算出可燃物的熱解速率，但是對于大多數材料無法獲取這2個值，因此采用下式替代。

式中：為熱重實驗時的升溫速率，默認值為5 ℃/min；？駐T為熱解角，默認值為80 ℃；vs為熱解的固體殘留物含量，默認值為0；rp為熱解率峰值，即參考溫度處的熱解率，默認值為0.002；YS為質量分數，單一材料單一熱解時取1；R為理想氣體常數，為8.314；TP為參考溫度。最后為了得到火災模擬的結果需要設置3d切片并在飛機艙門處設置溫度探測器。

2 不同工況下的火災仿真

2.1 50%貨物的火災仿真

假設外界溫度20 ℃，不考慮日照輻射的影響。以50%的貨物裝載率為例，通過使用ignitor點火器將貨艙行李點燃，在Smokeview中顯示的燃燒結果如圖6所示。

結合圖6、圖7的結果分析可將飛機貨艙火災發展的大致過程分為4個階段。首先在開始時間段飛機貨艙被點火器引燃，著火先經歷陰燃階段，火勢較小，并伴隨有濃煙冒出。

隨后在約347 s時開始進入快速燃燒階段，火災從著火點處快速燃燒并蔓延至貨艙口處，一旦火災進入快速燃燒階段，滅火的難度會大大增加。再結合圖8可以看出火災快速燃燒伴隨著熱釋放速率的快速上升，貨艙口的溫度也在快速上升，此時很有可能會發生轟燃，并從貨艙口擴散點燃整個機身，造成巨大的生命財產損失。因此在貨艙火災報警器設計和布局時，需要能在火災處于陰燃階段就發出警報。火災發生時消防人員應在第一時間趕到現場滅火。最大可能做到在火災的陰燃就能處理掉，將火災扼殺在搖籃中，使生命財產損失降至最低。

在500 s后火災開始進入穩定燃燒階段，隨著時間的推移，貨物從貨艙口處到貨艙內部逐漸被燃燒殆盡。最后在1 250 s后火災逐漸熄滅，處于消退階段。該結果與美國聯邦航空管理局運輸部關于新型客機/貨機滅火方法的報告結果相近[7]，可見本文火災參數的選取和建模合理，可以應用于飛機貨艙火災研究。

2.2 不同數量貨物的火災仿真

考慮到飛機的實際運輸能力以及現實中飛機的裝載情況，根據以往的經驗目前比較權威的估計是：貨機實際運載能力按飛機貨艙容積的60%計算[8]，因此為了使仿真結果更具有準確性和說服力，本文共設置了30%、40%、50%及60%裝載率4種情況。

圖9、圖10表示不同裝載率的貨物熱釋放速率和貨艙口溫度變化，不同裝載率的貨物燃燒在前500 s都經歷了陰燃、快速燃燒和穩定燃燒階段，燃燒結果符合此類實驗的相關數據，在火災初期增長階段，熱釋放速率近似按時間的平方發展，增長曲線可近似表示為

q=α（t-t0）2，

式中：Q為熱釋放速率，α為火災增長系數，t為火災發生后的時間，t0為火災有效燃燒所需的時間。不同裝載率的貨物火災有效燃燒所需時間t0也不同，貨物越多，t0越大，即快速燃燒發生的時間越晚、火災持續的時間更長。

2.3 貨艙門關閉情況下的火災仿真

在大多數的時間內，飛機貨艙門都是處于關閉狀態，所以本文還探究了不同裝載率的貨物在貨艙門關閉情況下發生火災的燃燒情況。假設貨艙門的密封性良好，不同裝載率的貨物燃燒情況如圖11、圖12所示。

由圖11、圖12可知，在貨艙門關閉的情況下，貨艙中的氧氣總量越高，貨物的熱釋放率和溫度的峰值也越高。貨艙火災在經歷快速燃燒后由于氧氣的總量有限而逐漸消退，但是在這一過程中也有可能會燒穿貨艙，而且如果后續打開艙門也會存在復燃火勢變大的可能，因此在滅火過程中如果貨艙門處于關閉狀態，更應當注意滅火時的操作規范，不能掉以輕心。

2.4 有風條件

眾所周知，機場的環境條件復雜多變，因此增加了有風的情況，探究有風天氣對于貨艙火災的影響。對于風速的設計可以用以下關系式表示

v=q/a

式中：V為風速，Q為體積流量，A為風扇出口截面積。將風扇出口正對著貨艙出口，使風扇出口截面積等于貨艙門面積，設置對應的恒定體積流量，就可以得出對應的風速。本文共設置了圖13和圖14中的7種風速條件。

由圖13、圖14可知，由于風的存在，會使得貨艙火災發生后，火災快速燃燒的時間點提前，加快火災的蔓延速度，所謂“風助火勢”，且風速越大，發生快速燃燒的時間點越早。因此在大風天氣的情況下，要更加注意火災的防護，提高火災防護意識。

2.5 存在易燃易爆物品情況下的火災仿真

在日常生活中，存在大量具有易燃易爆特性的物品，極容易被誤帶上飛機，其易燃易爆特性可能對飛機及其乘客的安全構成潛在風險。本文以生活中常見的酒精制品為例，分析酒精類制品對于飛機貨艙火災的影響。根據民航局《民航旅客限制隨身攜帶或托運物品目錄》中有關規定，酒精飲料禁止隨身攜帶，但可作為行李托運。但是托運要滿足以下限定條件：標示全面清晰且置于零售包裝內，每個容器容積不得超過5 L；酒精的體積百分含量小于或等于24%時，托運數量不受限制；酒精的體積百分含量大于24%、小于或等于70%時，每位旅客托運數量不超過5 L[9]；根據這一規定，本文共設置了以圖15和圖16中的4種情況。

由圖15、圖16可知，行李中含有酒精制品對于快速燃燒時間點的提前影響不大，少量的含酒精貨物的熱釋放速率和溫度曲線與無酒精的相吻合。考慮到在實際的航空運輸過程中，基本不會出現旅客攜帶大量易燃物品的情況，因此少量的酒精制品在火災發生后并不會對火災產生較大影響。但是并不意味著對于易燃易爆品我們可以坐視不理，像酒精這樣的易燃易爆物品，由于其極易燃燒的性質，會增加火災發生的幾率，在旅客登機時，安檢部門也應進行嚴格審查管理。

3 結論和消防建議

本文參考FAA的相關實驗，通過仿真軟件PyroSim對飛機在停靠過程中發生貨艙火災進行數值模擬，分析了不同工況下的飛機貨艙火災情況，得到了貨艙火災的熱釋放速率和溫度隨時間變化情況，并對結果進行了分析，得出如下結論。

1）飛機貨艙火災要分別經歷陰燃階段、快速燃燒階段、穩定燃燒階段和消退階段。尤其要注意快速燃燒階段，此時火災能夠快速蔓延，滅火的難度相較于陰燃階段會大大增加。

2）貨艙門關閉情況下，貨艙火災在經歷快速燃燒后會逐漸消退，但后續打開貨艙門會有復燃的風險。

3）有風天氣會使得貨艙火災快速燃燒時間點提前。

4）行李中含有酒精制品對于火災時間影響不大但是要注意其易燃性。

根據FAA的要求：飛機貨艙中的火災探測器必須在火災發生60 s時間內發出報警信號[10]，以及根據ICAO（International Civil Aviation Organization， 國際民航組織）頒布的《國際民用航空公約》附件十四規定：機場救援與消防勤務的工作目標必須是在最佳能見度和地面條件下，不超過3 min的應答時間內到達每條運行跑道的任一點[11]。再結合上述的仿真結果，提出以下幾點建議。

1）當火災進入快速燃燒階段后滅火的難度會大大增加，在機場建設初期，消防站的選址時要確保消防車能在3 min的應答時間內到達每條運行跑道的任一點。有風天氣會使得火災的快速燃燒時間提前，因此消防人員日常應勤于訓練，確保能在3 min的應答時間內到達著火點的基礎上縮短到達著火點的時間，盡可能將火災撲滅在陰燃階段。

2）在飛機貨艙火災報警器的設計以及布局上要確保在火災發生初期的陰燃階段就能發出警報。

3）行李當中含有酒精制品對于快速燃燒時間點的提前影響不大，并不會加快火災蔓延的速度。但是會增加火災發生的幾率，對于酒精等易燃易爆物品要制定嚴格且詳細的登機政策。例如，對于攜帶酒精制品的種類、含量和容量等作出具體限制，對于度數較高的酒精制品應禁止帶上飛機。且最好采用包裝袋將其與其他行李物品進行物理隔絕，并制定液體物品攜帶的安全規定。

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第一作者簡介：莫慶益（1998-），男，碩士。研究方向為自動化系統及技術。

*通信作者：賈立山（1976-），男，博士，副研究員。研究方向為自動化系統及技術。