排烟条件下舱室烟气溢流的数值模拟研究

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(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

火灾给船舶安全造成巨大威胁，烟气是火灾的一个重要致灾因素。一方面，烟气是火灾中人员伤亡的主要原因[1-2]；另一方面，高温烟气在船舶内的扩散还可能会造成火灾的进一步蔓延，并给舰艇内的武器弹药造成威胁。舱室的竖向开口是内部火灾燃烧的氧气供应通道，对火灾的发展和烟气成分有重要影响，同时，它还是烟气从着火舱室溢出的主要途径。如果火灾控制不当，会造成大量烟气从着火舱室溢出，从而使船舶其他区域的人员和设备安全受到威胁。为了保护整个船舶的安全，在船舶内部火灾载荷较大，危险性较高的舱室，可以安装排烟系统，来抑制火灾时开口处的烟气溢流。

鉴于竖向开口处烟气流动的重要性，国内外学者很早就对此开展了大量细致的理论和实验研究[3-8]。但需要指出的是，这些研究主要针对单一竖向开口的气体流动，并未考虑排烟系统的影响。而排烟作用会使开口处烟气的中性面和输运规律发生一些改变。有研究表明，排烟能够减少开口溢流，在排烟量足够大时，甚至能够完全抑止溢流，从而将火灾烟气有效地控制在房间内部[9]。

本文对排烟舱室竖向开口烟气流动进行数值模拟，重点关注竖向开口烟气溢流发生的临界条件，为后续船舶舱室的排烟系统研究设计和损害管制提供理论依据。

1 竖向开口流动理论基础

舱室竖向开口存在中性面时的烟气流动示意于图1。

图1 舱室竖向开口烟气流动示意

竖向开口流动是一种密度差引起的开口处流动，可模化为无粘性的伯努利流动[10]。

舱室内外压差可表示为

Δp=ρ∞gz-ρsgz

(1)

根据伯努利方程，进入舱室内气体质量微元可表示为

(2)

式中：ρ∞——环境空气密度；

ρs——烟气密度；

Hw——开口的宽度；

C——开口处的流通因子，一般取0.6～0.8[11]。

烟气层分界面的位置与模型中温度的简化密切相关，需根据其与开口的位置关系分别处理。

2 数值模拟研究

2.1 物理模型设置

模拟软件采用FDS 5.5.3。数值模拟计算模型所模拟舱室的尺寸为长×宽×高=6 m×4 m×3 m，舱壁厚度设置为0.1 m。在模拟舱室顶部设置有一个排烟口，右侧墙上设置有一个0.4 m × 0.8 m的竖向开口，离地面高度为2 m，见图2。

图2 数值模拟物理模型

模拟舱室内设置有两串热电偶。每串29个探点，从高度0.1 m～2.9 m，等距布置。为了研究开口处的烟气流动状况，在开口中间以0.1 m间距设置有一串温度探点和一串矢量速度探点。另外在排烟口和竖向开口处还分别设置2个监测面，用来监测这两处的质量流量和体积流率。为保证计算精度，选取尺寸为0.05 m × 0.05 m × 0.05 m的网格方案。

2.2 模拟工况设计

为了研究不同排烟量下舱室开口处的烟气流动状况，共设计了10种模拟工况。前8种模拟工况中火源功率固定为0.5 MW，排烟口排烟量变化范围为0.16～1.6 m3/s，后两组工况中，排烟量固定为0.64 m3/s，而火源功率分别为0.4 MW和0.6 MW。详见表1。

表1 数值模拟工况表

2.3 计算结果分析与讨论

图3a)为工况1～8稳定段开口处不同位置的水平平均速度分布。其中，速度为矢量，定义流出舱室的方向为负。可以看出，开口处的速度基本随着高度的增加呈线性增大趋势。这种现象也正说明了在排烟条件下，竖向开口处烟气流动的主要驱动力仍是温度差引起的压差。工况1～4中，开口顶部的烟气速度小于0，说明此时开口处有烟气溢流。因此，这4组工况下的排烟量不足以抑止烟气溢流。工况5中，开口处风速均大于0，说明开口无溢流产生。但此时开口最高点的风速只是略大于0，说明该工况下的排烟量刚刚达到抑止溢流的临界条件。其后，随着排烟量的继续增大，开口处均为气体流入，无溢流产生，且气体流入速度持续增大。从这8组工况的风速比较可以看出：排烟量存在临界值，只有当排烟量大于某一临界值，才能抑止烟气溢流的产生。而在本文的火源功率及开口条件下，临界排烟量与工况5中的排烟量接近。

图3b)为工况5和工况9、10中稳定段开口处不同位置的水平平均速度分布。可以看出，排烟量固定为0.64 m3/s在火源功率为0.6 MW时，开口处存在中性面;当火源减小到0.5 MW时，中性面已上移到开口上沿以上，所以开口处全为空气补入。火源功率减小到0.4 MW，开口处仍全为气体流入，且流入速率相比0.5 MW工况下有一定增大。

表2是不同排烟量下开口处的中性面高度、质量流量和体积流率统计。表中“/”代表该工况下开口处流动状况全部为气体流入，不存在传统意义上的中性面，只存在一个在开口上沿以上的虚拟中性面。从表中工况1～8对比可以看出，从工况5开始，开口处不存在中性面，即这些工况下开口处无烟气流出。工况1中，排烟量最小，中性面高度最低，但仍高于开口总高度的一半。而已有研究表明，在无排烟时中性面高度均在开口高度的一半以下。可见排烟条件的竖向开口的中性面位置发生了显著变化。从工况1～5的对比可以看出，随着排烟量的增加，开口处中性面位置不断抬升，当到排烟量为0.64 m3/s时，中性面高度已高出开口上沿。此时，传统意义上的中性面消失，舱室开口的气体流动全部为气体流入。从这五组工况的对比还可以看出：气体流入质量流量随着排烟量的增加而增加，流出质量流量则随着排烟量的增加很快就降为0。工况6～8的排烟量相比工况5更大，气体流出质量流量均为0，开口处均为新鲜空气补入。在达到溢流抑止临界条件后，随着排烟量的增加，开口处流入气体的质量流率也显著增加。此时，流入气体质量流率的增加主要是由排烟量的增加引起的。

图3 不同工况下开口处速度分布

表2 开口处烟气流动参数统计表

3 结束语

在排烟条件下，中性面高度是决定溢流抑止的重要条件，当理论中性面高度大于或等于开口上沿时，可认为达到溢流抑止状态。中性面高度与排烟量和火源功率密切相关，随着排烟量的增大，中性面高度不断上移，从而烟气溢流量持续减小；随着火源功率的增大，中性面高度则下移，溢流量增大。

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