基于FDS的船舶机舱火灾的数值模拟研究

顾舟 郑徐俊 何志霖(上海海事大学,上海 201306)



基于FDS的船舶机舱火灾的数值模拟研究

顾舟 郑徐俊 何志霖
(上海海事大学,上海 201306)

【摘 要】本文基于FDS软件平台,采用大涡模拟方法对某船舶机舱火灾的发生、发展过程进行计算机数值模拟。根据IMO标准火灾热释放速率大小定为1MV、4MV及6MV,本文将考虑这三种标准火灾规模,对船舶机舱火灾发生发展过程中机舱内温度变化和烟气浓度变化进行模拟研究。

【关键词】机舱火灾 温度 CO浓度

1 研究对象

本文选用某结构吃水载重量为45800吨的多用途散货船船舶机舱作为机舱火灾及人员疏散研究的研究对象。下表1提供了该船舶的主要参数。

由于实际船舶机舱设备密集且结构复杂，需要将船舶机舱进行简化后，通过FDS软件平台建立船舶机舱模型，如下图1所示。

2 火源大小设定

表1 船舶主要参数

表2 机舱主要边界参数

表3 高温对主机的影响

表4 人体对高温的忍受时间

表5 不同CO浓度对人员的影响

按文献得知，油池火最大热释放速率计算公式为:

式中:Q——最大火灾热释放速率，kW；m∞''——油池火渐进质量燃烧率，g·m-2·s-1；k'——有效吸收系数； D——油池的直径，m；ΔHc——燃料的燃烧热，kJ·g-1；Xchem——化学燃烧效率；计算求得油池直径为1m、2m和2.5m。

3 边界条件的设定

机舱舱壁、甲板等均为钢结构，其余机舱的主要边界参数如下表2所示。

4 机舱火灾过程的数值分析

4.1机舱内温度数值分析

4.1.1 温度随时间的变化规律

本文共模拟1MW、4MW和6MW三种火灾规模，取火源中心上方1.5m处为监测点，可观察机舱内温度随时间的变化规律。

根据上图2可得到，在火灾初期，机舱温度迅速升高，三种火灾分别在该监测点处100s、150s、200s左右达到充分燃烧阶段，此时温度达到最高值，标志着机舱处于危险状态；而在衰退阶段，温度会逐渐降低。表3给出了高温对主机的危害情况。

可得，当火源大小为1MW，在火灾发生后100s时，主机底部1.5m处温度达450℃，造成主机无法运作；当火源大小为4MW，在火灾发生后约50s时，主机已无法正常工作，而发展到150s时，主机附近温度超过850℃，主机表面因高温受热变形，且内部结构严重受损；6MW甚至会引发报废情况。

4.1.2 温度随高度的变化规律

(1)火源处温度随高度的变化规律。本文在火源中心处垂直方向1.5m、2.5m、3.5m、4.5m、5.5m、6.5m、7.5m处共设置7个监测点，具体如图3。

图3中，在火源上方0～4.5m处，曲线梯度较大，温度较高，且在250s内会对主机及机舱钢结构表面造成严重危害；而在4.5～7.5m处，曲线梯度较小，温度较低，可见，火源中心垂直方向4.5m处为温度的拐点，在机舱上下平台中，温度由于受到火源燃烧时火焰高度的影响而出现分层现象，并可以通过模拟认定火源中心上方0～4.5m处为主机高温危险区域。

(2)楼梯处温度随高度的变化规律。当机舱火灾发生后，高温会对人体产生严重影响，下表4给出了人体对高温的极限忍受时间。

可见当环境温度高于60℃时，会对人体造成伤害；而当高于300℃时，人员会处于绝对危险状态。鉴于高温会严重伤害人体，除了研究温度对主机产生的影响，还需研究它对人员的影响，本文则在离火源较远另一侧楼梯口垂直方向七处共设置10个监测点，分析人员在移动过程中温度对人员的影响，如下图4所示。

已知，当机舱环境温度高于60℃时，会对人体造成伤害，因此，可将60℃作为人员的安全临界温度值，并得出以下结论:当火灾规模为1MW时，人员在450s内撤离，最为安全；当火灾规模为4MW时，人员最佳疏散时间为0～250s；当火灾规模为6MW时，人员最佳疏散时间为0～150s。

4.2 火灾烟气的蔓延情况

℃以6MW火灾为例，可通过FDS中的smokeview可视软件观察机舱火灾烟气的蔓延规律，如下图5所示。

图5反映了火源大小为6MW时，火灾烟气在不同时刻的分布情况。

4.3 CO浓度随高度的变化规律

虽然机舱发生火灾时，高温火灾烟气包含SO2、NO2、HCl和HCN等多种有毒有害气体，但通常所含浓度不高，短时间内不会对人员身体造成伤害，而CO2虽然浓度很高，但毒性较小。通过查阅大量火灾统计资料，人员因CO窒息中毒死亡的人数占全部死亡人员约70%，下表5给出了人员在吸入不同CO浓度时的反应情况。

图6可以发现在火灾发展过程中，在楼梯口垂直方向0～7.5m处，CO浓度随高度的增加而增大，这是由于在火灾发生后，火灾烟气会先随着燃烧向上运动，等到上层平台的烟气聚积到一定程度后，再向下运动并且向四周扩散，因此CO主要在高层空间运动，所处位置越高，浓度也越大；而在7.5～10.5m处，CO浓度则随高度的增加而减小，这是因为在机舱上甲板处有4个自然通风口和2个机械通风口，由于O2有所补给，CO浓度也相应有所下降。

5 结语

(1)当火源大小为1MW，在火灾发生后100s时，主机因高温无法运作；当火源大小为4MW，在火灾发生后约50s时，主机无法正常工作，而发展到150s时，主机表面因高温受热变形，且内部结构严重受损；当火源大小为6MW，火灾发生后20s时，主机无法运作，而发展到80s时，柴油主机则因高温完全报废。(2)在火灾发生后，火灾烟气会首先随着燃烧向上运动，当上层平台的烟气聚积到一定程度后，再向下运动并且向四周扩散，因此烟气主要在高层空间运动，所处位置越高，温度越高，CO浓度也越大，能见度则越小。

参考文献:

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