潜艇机舱舱底火灾模拟研究

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(中国船舶重工集团公司第七二六研究所，上海 201108)

潜艇机舱布置有多个大型油箱和用油设备，极有可能出现油污滴漏，在舱底沉积，形成较大尺度的油池，一旦遇到合适点火源，在遮蔽条件下，发生舱底油池火[1]。

舱底火由于具有隐蔽性，与一般的敞开空间火灾具有不同火灾特性。例如，舱底火的烟雾蔓延及火焰受到铺板或者设备的遮挡作用，对于该类火灾的探测及灭火影响较大。发生舱底火时，火焰的热量直接加热铺板、舱壁，极有可能导致潜艇结构材料的变形、断裂。研究发生舱底火烟雾的蔓延规律、舱壁的温度分布，对于研究火灾情况下机舱舱壁结构强度有着重要的参考作用。

全尺度火灾试验是研究火灾规律最直接的方法，但是全尺寸火灾实验是一种毁坏性实验，实验成本很高，且具有一定的危险性，特别是对于较大规模的火灾。本文采用计算机模拟的方法对潜艇机舱舱底火灾规律进行研究。

FDS(fire dynamics simulator)是以大涡模拟为基础的三维计算流体动力学软件(CFD)，可以模拟火灾湍流流动过程。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程，可以较为快速准确地分析复杂的三维火灾问题，能很好地计算各类火灾情况下空间内各点的温度、烟雾运动等参数。采用FDS模拟软件，结合PyroSim模型软件，计算潜艇空间发生遮蔽舱底火情况下的舱内温度、烟雾传播、舱壁温度等参数，可为后期的消防防护系统设计奠定基础。

1 数值模拟输入条件

本项研究的空间结构模型为一个方空腔模型，分隔成上、中、下层。前后方向上设有门与其他空间相通，通风系统均采用左边进风，右边回风的方式。模型尺寸设为(长×宽×高)：13 m×9.6 m×9.6 m，门的尺寸为0.8 m×0.8 m，通风口的尺寸均为0.2 m×0.2 m，每层有6个通风口。

下层某空间内铺板下方设置一个大型油盘，模拟舱底火工况。铺板大小约为6 m×8 m。计算时设定铺板及舱壁材料为钢板，厚度为10 mm。

2 设计计算模型

2.1 最大热释放速率

本模拟假设在一定的时间后，柴油经油管泄漏后在舱底中心位置形成一直径为2.4 m、厚0.02 m的油池，为便于计算，考虑简化为边长为2.13 m的方形油盘，内部倒入0.02 m厚的燃油，柴油机底部距离油盘高0.5 m，铺板到油盘的距离为0.7 m，具体布置见图1。

图1 某舱室模型

燃油采用某型号的柴油，其各项物性参数见表1。

表1 某型号柴油性能指标

发生火灾后的热释放速率是决定火灾发展及火灾危害的主要参数，受限型油池火最大热释放速率为[2]。

(1)

式中：Δhc——该可燃物的燃烧热；

D——油池直径；

m——每单位表面积的质量燃烧速率,

m=m∞(1-e-kD);

其中：m∞——大型油池火灾渐进质量燃烧率；

k——有效吸收系数。

计算得到该型柴油池火的最大热释放速率为5 744 kW。

2.2 火灾增长

火灾增长有一个从小火发展为稳定燃烧，达到最大热释放速率的过程。其计算是根据不同火灾种类的最大热释放速率。根据火场经验和大量的实验室测试结果分析，人们通常对一定空间内的火灾发展过程用具体的数学计算公式来描述。针对火灾中可燃物的热释放速率，大部分采用“时间-平方火灾”来设计计算[3]：

Q=αt2

(2)

式中：Q——火灾稳态燃烧的热释放速率；

α——火焰增长系数，α=0.002 9(慢速)，α=0.011 7(普)，α=0.046 9(快速)，α=0.187 6(超快速)。

油池火的火灾发展初期增长一般为超快速型，经过计算，舱底火灾在174 s内到达最大热释放速率，在此后一段时间内热释放速率保持稳定，模拟计算时间为600 s。

3 计算结果分析

3.1 烟气运动规律及室内能见度分析

火灾中烟气为主要的危害，对火灾蔓延、人员疏散和财产损失有重要影响。

图2为舱底火蔓延过程的示意图。

图2 舱底火蔓延示意

舱底火发生后，由于产生的热烟气密度比空气小，烟气向上运动，同时烟气蔓延受到舱底铺板和设备的阻挡，一部分烟雾上升到达铺板后，沿着铺板下方向四周蔓延，一部分则从铺板之间的缝隙上升，到达舱室上方，随着热烟气的不断产生，热烟气会沉积于舱室上方，快速充满顶部空间，然后向下沉降蔓延。

图3为不同时刻的烟气分布图。

图3 不同时刻的烟气蔓延

由图3可知，右边由于布置有进风口，提供燃烧所需氧气，右边的火势明显比左边大，产生烟雾较多，这是由于火灾烟气含有未燃的可燃蒸气，会自动寻找氧气，从而使得火势向富氧区蔓延，约175.8 s以后，火焰已经蔓延至中下层其它房间。

图4为不同时刻的舱内能见度变化图。

图4 不同时刻的能见度

3.2 温度场分布规律

潜艇机舱火灾温度场的分布对于船体结构及火灾扑救等有重要的影响。

图5为油盘火源上方垂直方向的温度变化情况。监测点均位于该舱段下层，距离油盘高度分别为0.9，1.8，2.7 m，此处温度分布主要受火焰温度和烟气蔓延运动的影响。由图可知，距离火源0.9 m位置的温度最高，可达约840 ℃，三点的温度在油盘点燃之后迅速上升，0.9 m处上升最快，这是由于该处靠近火源，接受火焰辐射最大，升温较快。

图5 火源上方监测点

结合图4、图5可知，1 min后，从铺板缝隙上升的烟气已经在该舱室的顶部聚集，如图4所示，这促使顶部能见度从26 m下降到约15.8 m，175.8 s时刻，该舱室能见度已经下降至0.5 m以下，该舱段中下层所有房间都出现热烟气。在275.4 s时刻，该舱中、下层能见度接近于0，烟雾已经完全充满整个中下层，火场已完全失控。

因此，发生舱底火时，进风口等富氧区域为火灾蔓延危险区域，必须采取机械排烟措施，由于一部分热烟气首先在铺板下方蔓延，该部位也需采取控烟措施，控制烟气运动是控制火灾进一步发展的关键，也为人员疏散提供了有效时间。

图6为铺板下方离火源较远的左边部位两个温度监测点数据图。

图6 铺板下左边部位温度分布

由图6可知，约70 s时，铺板下方的烟气蔓延至左边部位，温度开始上升，在约220 s时达到最大值。

图7为铺板上方左边部位温度监测数据。

图7 铺板上左边部位温度分布

由图7可知，距火源高2.7 m处的温度最先上升，这是由于烟雾首先在顶部聚集后才逐渐沉降，因此，该部位温度分布主要受烟雾传播的影响。在火灾发展过程中，铺板上方左边部位的温度在200～250 ℃有一个降低后再次上升的过程，这是由于在铺板下方蔓延的热烟气从铺板边缘的缝隙蔓延上升，导致该部位烟雾浓度急剧上升，使得温度相应升高。

比较左边部位铺板上下方的温度发展可知，发生舱底火时，大部分烟雾会从铺板间缝隙迅速上升，铺板上方温度上升较快，下方反而上升较慢，铺板上方的平均温度高于铺板下方温度。比较图5及图7可知，在同一高度上，左边温度明显低于火源上方温度，这是由于左边上方有一个排烟口，自然排烟效果较明显，而且火源上方受火焰辐射作用较大，进而在同一高度，火源上方温度较高。

3.3 舱壁温度分布

图8为在舱底发生直径为2.4 m、厚0.02 m的柴油池火情况下，该舱段前壁面的温度分布，下层舱壁由于受到火焰及热烟气对流辐射，部分温度达到600 ℃以上。中层及下层舱壁温度达到400 ℃以上，从8b)图可见，进风口周围壁面温度明显比出风口处低，说明进风口中补充的冷空气对周围舱壁的温度有较好的控制作用。显然，对该部位舱壁的防火强度要求大大降低。

图8 前舱壁温度分布

4 结论

1)机舱发生舱底油盘火时，小部分烟雾在铺板的阻挡下，在舱底蔓延，最终从铺板边缘缝隙上升填充舱室。大部分烟雾则从铺板中间缝隙直接上升蔓延，到达舱室上方，随着热烟气的不断产生，热烟气会沉积于舱室上方，快速充满顶部空间，向下沉降。

2)温度场分布与火灾中烟气及火焰的蔓延有着内在的统一关系，烟气浓度的变化对温度场的分布有着极大的影响。

3)火灾时候，进风口对舱壁有明显的降温作用，而在其它部位，特别是排风口部位，需要对其防火结构加固。

4)通过对舱底油盘火模拟过程分析，整个舱室的温度在25～150 s的短暂时间内，整个舱室的温度将急速升高，这也验证了潜艇机舱火灾的特殊危险性。在潜艇设计过程中，要合理设置船员的逃生通道，以期在短暂时间内将人员安全疏散。

[1] DAVID LEBLANE. Fire environments typical of navy ships[D]. Worcester Polytechnic Institute, 1998.

[2] 陈国庆，陆守香，庄 磊．船舶机舱油料火灾的发展过程研究[J].中图科学技术大学学报,2006，36(1):91-95.

[3] 范维澄，王清安，姜冯辉，等.火灾学简明教程[M].合肥：中国科学技术大学出版社,1995.