舰船机舱火灾烟气自然充填特性模拟实验

吴晓伟，张博思，张凤香，陆守香

(1.海军装备研究院，北京100161;2.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥230027)

0 引 言

火灾是影响舰船安全性和生命力的重要威胁之一，它不但会对舰船自身造成巨大损害，也会造成严重的财产损失和人员伤亡［1－2］。在舰船各类火灾中，机舱火灾具有发生频繁、危害性大及扑救难度大等特点［3－4］。

火灾烟气具有遮光性、毒性和高温等特点。火灾发生时，烟气是影响舰员安全和舰船顺利执行任务的主要威胁之一。火灾烟气主要会对舰船内人员和设备造成以下3个方面的伤害:首先烟气的遮光性导致舰员在逃生过程中容易迷失方向，无法寻找到正确的出口，延滞了安全逃生的时间;其次，烟气中含有较高浓度的一氧化碳等有毒气体，当吸入一定量后舰员会出现休克甚至死亡;再次，火灾产生的高温烟气可能造成舰员呼吸道和皮肤的灼伤，甚至导致舰船设备的失效。因而认识机舱火灾烟气特性对于提高舰船消防安全水平具有重要意义。

发达国家海军较早地开展了舰船火灾烟气研究。美国海军研究生院进行了一系列的舰船火灾实验，并利用区域模拟程序研究了火灾烟气在舱室内的蔓延［5］。美国科学家曾利用盐水实验模拟了海军舰船舱室火灾烟气运动的规律，取得了较为满意的结果［6］。我国相关学者对舰船舱室烟气流动也进行了模拟研究［7－10］。但人们对封舱情况下机舱火灾烟气的充填特性还缺乏直观认识。本文利用实验手段研究机舱模型中火灾烟气在无通风条件下的自然充填规律，以评价机舱火灾烟气的环境危害特性。

1 实验方法

1.1 模型机舱

实验采用的小尺度舰船模型机舱见图1。模型机舱整体尺寸为3 000 mm(L)×3 000 mm(W)×750 mm(H)，机舱顶棚烟道空间尺寸为1 250 mm(L)×1 625 mm(W)×625 mm(H)。内部柴油机布置见图2。在本实验中，通风口、排烟口以及通道口等对外开口均处于关闭状态，以模拟机舱封舱情况下的火灾烟气运动特性。

图1 舰船机舱模型Fig.1 Model of ship engine room

1.2 测量系统

为研究火灾烟气的自然充填过程，本实验中测量了舱室内的气体温度、烟气成分和通道处的烟气能见度。系统中共布置3 束热电偶，用于测量模拟机舱内不同位置处的气体温度，每束热电偶包括6 支10 cm 长的K型热电偶。3 束热电偶分别布置在右舷舱壁中央、右舷角落和前端舱壁中央3个位置，从上到下依次命名为TC1～TC6，TC7～TC12和TC13～TC18，具体位置见图2。各热电偶树中，位于最上方的热电偶距离舱室顶板10 cm，最下方的热电偶距离舱室地面15 cm，其他位于中间的热电偶以10 cm的间距均匀布置。为监测实验过程中火焰状态并获得最终熄灭时间，在油盘正中央距离液面5 cm 高度处布置了1个热电偶，标号为TC19。采用烟气分析仪测量羽流顶部的O2，CO和CO2等气体浓度随时间的变化过程，气体浓度测量点见图2。采用激光消减法的原理测量舱室内通道处的烟气能见度变化过程，光源为650 nm的红色点激光源，布置在左舷舱壁上50 cm 高度处，距离后舱壁80 cm。测量系统的具体布置形式如图2所示。

图2 测量系统布置图Fig.2 Sketch of the experimental set-up

1.3 实验工况

通常油池火和喷射火被认为是机舱火灾的2 种典型火源。本研究采用油池火作为火源类型。作为机舱内最为常见的可燃物，柴油具有较高的热值，同时燃烧过程中烟气产生量较大，对舱室内的能见度、有毒气体的浓度以及温度均有严重的影响。因而选用型号为－10#的柴油作为本实验的火源。

本研究使用10 cm，20 cm和30 cm 三种直径的油池火作为实验火源，油池内初始燃料高度均为4 cm，在实验过程中不进行燃料补充，因而燃料的液面随着燃烧的进行不断下降，直至燃料耗尽或火焰由于舱内氧气浓度过低而出现自熄灭。火源放置于机舱地板中央位置，如图2所示。具体的实验条件及主要实验结果见表1。为得到较为准确和可信的实验结果，每个油盘直径的工况重复进行3 次实验，实验结果分析中所采用的数据均为3 次重复实验的平均值。

表1 实验工况及结果Tab.1 Experimental scenarios and results

2 实验结果与讨论

2.1 实验现象

图3为10 cm，20 cm和30 cm 三种油盘直径条件下，典型时刻柴油池火燃烧过程的录像截图。从图中可以看出，随着油盘直径的增大，燃烧剧烈程度以及舱室内烟气浓度都随之增大。对于直径为10 cm柴油油池火的工况，整个实验过程中，火焰一直在中部2个发动机模型之间稳定燃烧，舱内烟气浓度较低，从油盘被点燃至火焰熄灭的整个过程都能清楚看到火焰和机舱内的柴油机模型;当油盘直径增大到20 cm 后，燃烧变得剧烈，在420 s 时火焰高度明显已经超过了相邻的发动机模型高度，同时火焰发生了“水平膨胀”，与发动机模型产生了“碰撞”，同时模拟机舱内的烟气浓度迅速增大，能见度下降;当油池直径为30 cm 时，燃烧猛烈程度继续增大，舱内能见度快速下降，180 s 后的录像已经无法分辨发动机模型位置，420 s 后已几乎无法看清模拟舱内的火焰。

在整个燃烧过程中，油盘直径为10 cm的工况中烟气浓度较低，火焰能够被清晰的拍摄，因此该工况的燃烧时间可根据录像获得。而当油池直径为20 cm和30 cm 时，由于烟气浓度较高，燃烧后期已经无法拍摄到火焰的存在了，因而本研究中这2个工况的燃烧时间通过在火源上方设置热电偶(TC19)来获取。当燃烧进行时，TC19 测得的温度为火焰温度，在实验中通常高达500 ℃而当火焰熄灭时候，TC19 测得的温度为舱室内的气体温度，因此TC19 测得的温度出现突降的时刻即可认为是火焰熄灭的时刻。基于以上分析方法，得到油盘直径为10 cm，20 cm和30 cm的工况，燃烧时间分别为:1 200 s，900 s和660 s。由此可以看出，在无通风条件下，随着油盘直径的增大，燃烧时间缩短。

图3 各种直径下的火灾发展过程Fig.3 The fire growth for different pool fires

2.2 烟气温度

舱室内气体温度的测量和分析对于研究无通风条件下火灾烟气在模拟机舱内的沉降特性以及了解烟气对船体结构和人员的危害程度有着重要的作用。火灾发生后，烟气在浮力的驱动下迅速上升，到达顶棚后形成顶棚射流开始向四周蔓延，并在顶棚下方集聚而发生沉降，舱室内不同高度处的热电偶温度测量结果可用于分析火灾烟气在舱室内的填充过程。油池直径为10 cm的工况中右舷中央处热电偶树测得的气相温度随时间变化曲线如图4所示。由图可以看出，舱室上部温度相对较高，而下部区域温升较为一致。图5 显示了3 种直径的油池火工况中，不同位置处的最高温度在竖直方向上的分布情况。

由图4和图5 可以看出，在本研究的实验条件下，舱室内的温升均处于较低水平。直径为10 cm的油池火仅使舱室内的温度上升至33℃，随着火源直径的增长，舱内温升相对增大，但火源直径为20 cm和30 cm的油池火也仅使得火源舱温度升高至56 ℃和83 ℃。较低的烟气温度对于人员逃生和设备的安全都是有利的，但对于以温度作为阈值的火灾探测器及时动作是不利的，容易导致火灾漏报现象的发生。

由图5 可以发现，舱室内不同位置处的热电偶在火灾中的温升情况有所不同。右舷中央和右舷前角处的气体温度相差不大，前舱壁中央的温度较其他两处要高，这主要是因为前舱壁距离火源较近，同时前舱壁与火源之间无发动机模型遮挡。这说明火灾舱室内障碍物会阻碍火灾烟气的流动，从而造成被遮挡区域的温度相对较低。

另外，图5 显示舱室内在竖直方向上不存在明显的温度分层现象。温度在竖直方向上分布的均一，表明烟气分层现象在封闭条件下不如普通建筑空间火灾中那样显著。由于烟气温度和冷空气之间的温差较小，因而热浮力不大，难以维持稳定的烟气层。烟气下降速度很快，迅速填充了整个封闭的机舱区域，从而形成较为均一的舱内环境。

图4 10 cm 直径油池火中右舷中央处的温度分布Fig.4 Temperature profile at the center of starboard for 0.1 m fire tests

图5 不同直径油池火中舱内的温度分布Fig.5 Temperature profiles at various locations for different fire tests

2.3 氧气浓度变化

火灾烟气中氧气浓度也是重要的火灾指标之一，火灾过程中，起火舱室内氧气浓度的下降会导致人员窒息甚至死亡。本实验利用烟气分析仪测量了模拟机舱顶部区域火灾烟气中的O2，CO 及CO2浓度。随着火灾的进行，舱室内的氧气浓度逐步降低，CO和CO2浓度随之升高，三者的变化趋势一致，因此本研究中仅给出不同工况中舱室上部区域氧气浓度随时间的变化曲线，如图6所示。由图可以看出，火源直径越大，烟气中的O2含量下降的越快，同时氧气浓度的最低值越小。0.1 m 直径的油池火中，在燃烧后期，氧气浓度降低到17%;当油池直径为0.2 m 时，O2、CO和CO2的浓度分布为13%、510 ppm和1.9%。当油池直径为0.3 m 时，这3 种气体的浓度变为2%，1 090 ppm和3.9%。

图6 不同直径池火实验中氧气浓度的变化过程Fig.6 Oxygen concentration histories for different fire tests

2.4 能见度

火灾烟气的遮光性会导致火场内能见度的降低，从而对船员逃生和救火行动造成了影响。本实验采用激光消减法测量了模拟机舱内左舷侧距地面0.5 m 高度处能见度随火灾发展的变化情况。图7 显示了不同火源条件下能见度的变化过程。由图7 可以看出，在3 种油池尺寸的实验中，舱室内能见度在点火后均出现了快速下降，这说明烟气撞击顶棚后，在舱室内的填充速度较快。随着燃烧的进行，火灾烟气浓度增大，舱室内能见度进一步降低。对于直径10 cm的柴油池火，起火后300 s，舱内能见度下降至5.7 m 左右，随后维持在这个程度直至火焰熄灭;火源直径为20 cm 时，舱内能见度在起火后约210 s，下降至2.8 m;当火源直径为30 cm 时，舱内能见度在起火后约160 s，下降至2 m。对于封闭舱室内能见度没有随着燃烧的进行而继续降低的现象，可能是由于火源相对较小，烟气层与下层空气层之间的温差不大，难以维持烟气层稳定在一定高度并进行积累，从而使烟气不断下降而造成的。

图7 不同火源大小模拟机舱内的能见度Fig.7 Visibility histories at corridor for different fire tests

3 结 语

在模拟机舱中开展了无通风条件下的柴油池火实验，研究火灾烟气在封闭舱室内的自然充填过程。在3 种尺寸的油池火实验中，测量了舱室内的温度、烟气浓度及能见度的变化过程。实验结果表明:

1)在无通风情况下，舱室内的温度随火源的越大而升高，但其值不高，对设备的危害小，可能影响感温探测器火源的及时响应。舱室内温度分布在竖直方向上较为均匀，表明烟气竖直分层现象不明显，然而在水平方向上由于有发动机模型的遮挡和阻碍，导致舱室内水平方向上温度分布不均匀。

2)模拟机舱内顶部区域烟气中的氧气浓度在实验过程中会明显降低，且实验中测得的最低氧气浓度随着油池直径的增大而减小。当火焰直径为0.3 m 时，舱室内顶部烟气中的氧气浓度下降至2%。

3)能见度最低值以及达到最小能见度的时间均随火源直径的增大而降低。在实验过程中发现，无通风情况下，模拟机舱内的能见度下降速度很快，当火源直径为0.3 m 时，燃烧160 s 后的能见度即下降到约2 m，这会对人员逃生产生极为不利的影响。

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