船舶舱室火灾通道烟气特性研究

陈 功，邱金水，刘伯运

(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)

船舶舱室火灾通道烟气特性研究

陈 功，邱金水，刘伯运

(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)

有毒有害烟气是船舶火灾发生后最大的危害，对其控制和管理显得尤为重要，但目前相关的研究和应用较少，特别是火灾发生后如何消除烟雾和有害气体的研究更为缺乏。文章通过模拟舱室火灾试验，研究通道烟气的蔓延规律和温度分布情况，获得燃料的热释放速率曲线和质量燃烧速率曲线。通过通道布置的探测点得到了舱室火灾通道烟气运动规律及温度分布情况，为船舶消防损管系统设计中排烟风机的选用、布置、人员逃生和相关消防战术的制定提供参考。

舱室火灾；通道；烟气运动；温度分布

近年来，船舶火灾事故频繁发生带来了非常重大的损失和惨痛的教训。船舶火灾的主要特点有：空间狭小结构复杂，舱室种类多样化且相对封闭甚至有的完全封闭；船体结构材料的特殊性限制性；火势蔓延迅速难以控制，舱室内部的有害烟气浓度和烟气温度都会瞬间上升，在很短时间内就构成严重威胁[1]。

船舶火灾产生的烟气具有高温性、腐蚀性、遮光性、毒性、恐怖性和环境污染性等特点[2]。相关统计结果表明,由烟气导致的死亡占火灾死亡总数的85%以上,其死亡原因是由于吸入了大量的烟尘及有毒气体而导致昏迷致死。此外，高温烟气流已成为消防队伍进行抢险救援的最大障碍之一。

欧美国家对船舶舱室火灾烟气模型的试验探究和开发起步比我国早，而目前国内关于船舶通道火灾的研究开展的较少。由于火灾的发展受众多因素的影响，烟气与温度的变化又极其敏感，往往初始条件的微变就能对结果造成根本的改变，因此实际情况与实验结论必存在差异。本文结合已有的相关理论和模型，建立适合于通道的仿真模型，对船舶舱室火灾通道烟气的温度和流动蔓延特性进行仿真分析，归纳总结出烟气运动规律和热烟气温度分布过程。

1 长直通道火灾场景的设置及模拟

1.1 FDS软件介绍

FDS(Fire Dynamics Simulator)是一款火灾动力学场模拟软件。该软件是由美国国家标准与技术研究院开发的，采用数值模拟计算方法来求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程，得出火灾场景中的火源燃烧的热释放速率、火源产生烟气的蔓延运动特性等。对于处理火灾烟气流场，大涡模拟的方法具有较好的精度，它不仅可以描绘出烟气蔓延运动情况而且也能描绘出着火房间火灾蔓延过程，在很大程度上能够满足火灾烟气研究的需要。总而言之，FDS的优点不仅在于能用简单的程序描述复杂的火场信息，而且操作简单仿真结果可靠有效，主要用于研究火灾烟气运动与温度特性。

1.2 火灾场景设定

文章中的仿真模型舱室设定为长2.5 m、宽3.5 m、高2.5 m；通道设定为长15 m、宽1.5 m、高2.5 m。具体见图1所示。

图1 舱室-通道的FDS模型

在舱室和通道里的走廊中间处设置探测点(离地面1.65 m高)，用来探测烟气和温度的温度变化，得出烟气蔓延运动规律。通道探测点具体布置如图2所示。

图2 通道探测点的布置

场模拟采用FDS的大涡模拟的方法进行，着火部位在舱室房间的正中间，采用油盆火作为火源，油盆设定为方形，边长为0.7 m，为了试验的精确和安全，设置火源区域边长为0.5 m，油盆深度为0.4 m，使用5 mm钢板焊接制作。由于船上火灾类型多为油火(柴油火)，所以选择着火材料为柴油(用少量汽油点燃)，火源功率设定为0.1 MW。

2 火灾模型的理论分析

2.1 FDS所采用的基本方程

在分析过程中，采用的一些黏性流体流动的基本方程如下[3]。

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

式中：▽为微分算子；g为重力加速度；为外部力矢量；τ为黏性力张量；P为压力；w为涡度。

能量守恒方程：

▽·(k▽·T)+∑i▽·(hiρDi▽·Yi),

(3)

理想气体状态方程：

PM=ρRT，

(4)

式中：R为理想气体常数；M为混合气体的分子质量。

其中，质量守恒方程(1)通常表示为不同气体组分Yi的质量分数形式：

(5)

2.2 燃烧模型的分析

火灾模拟软件FDS通常采用泊松方程，一般不考虑压强对火灾烟气流场的干扰和影响，但是对于大部分火灾场景的烟气流动基本适用，其准确性也得到了大量试验的验证，特别是对中小功率的火源尤其适用[4]。直接数值模拟和大涡模拟这2种数值模拟方法都是FDS用来计算燃烧模型的方法。直接数值模拟是借助于直接求解湍流控制方程，对流场、温度场等进行准确的模拟阐述，也可以直接用于可燃气体与氧气混合扩散过程的计算，采用有限反应率燃烧模型。但是这种方法的计算量比一般方法的计算量大很多，目前一般只用于稳定的层流计算。大涡模拟采用分解式的计算方法，把复杂的运动分解为简单易于计算的运动。本文通过某种滤波方法把火灾烟气运动的瞬时湍流运动的合成运动分解成2个简单的单一运动进行计算，分别是大尺度运动和小尺度运动2部分，这种计算方法大大简化了计算程序和工作量并降低了对计算机内存的需要，大大提高了工作效率[5]。文章采用大涡模拟计算的混合分数燃烧模型。此模型的优点是我们可以假设燃烧反应迅速，即当反应中燃料与氧气以一定的比例混合时，反应则立即发生。

在火源燃烧的过程中，燃料与氧气充分接触发生化学反应，生成各种燃烧产物。

此时，我们可以引入混合分数Z为：

(6)

由于我们假设模型发生反应非常迅速，即燃料与氧气以一定比例接触后立即发生反应，二者的反应接触面即可视为火焰面，则模型可以定义为：

(7)

由此定义可以得出，O2的组分数Y0与混合分数Z的关系：

(8)

利用FDS中的守恒方程与上述关系式，可以推出燃料的热释放率。在数值模拟计算过程中，热释放速率(HRR)可用氧气的消耗率表示。

3 结果与分析

3.1 热释放速率和质量燃烧速率

燃料燃烧时的热释放(HRR)和质量燃烧速率(BURN RATE)如图3所示。

图3 热释放速率和质量燃烧速率

因为本文的火灾模拟实验采用的是FDS中的混合分数燃烧模型，在不考虑现实环境的影响和其它因素的干扰的条件下迅速的燃烧反应使得燃烧速率会比实际实验的测试值偏大，由于不考虑壁面情况的现实问题燃烧时热烟气层厚度增加和舱室内温度偏高，在一定程度上影响燃烧的热释放速率大小。

3.2 通道不同时刻的温度分布和烟气运动情况

图4显示了通道纵向位置不同时刻的温度分布和烟气运动情况。可以看出，火灾发生后，火灾烟气经过火源舱室的房门迅速进入走廊，由于通道内气体的温度不均匀，导致产生的向上的浮力带动热烟气一起向上运动。因此，在通道形成受限空间的顶棚射流。在此过程中会形成火羽流，火羽流的形成机理：火源燃料燃烧，此燃烧过程是一个不断放热和产生烟气的过程，在向周围放热的过程中，周围和上方的空气与烟气混合流不断的吸收热量导致周围烟气温度升高压强减小，压强减小导致高温的烟气向上运动，并且不断的与周围空气进行热交换并卷吸周围温度较低的新鲜空气，从而形成火羽流。从图4可以得出顶棚上方的烟气温度是最高的，这与分析的结果几乎一致。由于烟气的运动是流体运动，流体运动在一个方向受阻后将会沿着与此方向垂直的平面做向四周扩散的径向运动。因此烟气在遇到顶棚的阻碍后进而向四周径向扩散蔓延流动，当向四周径向扩散运动遇到两侧的通道舱壁后烟气的流动遇到阻碍，因此烟气只能沿着通道方向做纵向运动，在烟气蔓延运动的过程中，由于不断的与外界发生热量交换和质量交换导致烟气层从离火源近处到远处，烟气的温度呈一定的梯度逐渐下降。烟气在运动的过程中通过通道的开口一部分流出通道，一部分因通道开口上部的阻碍而回流；通道内的烟气则与封闭舱室火灾烟气运动情况相仿，由上面慢慢向下沉降填充，直到充满整个舱室。通道的开口对烟气的沉降也有影响，离通道开口越远一侧的烟气明显沉降的速度更快，更先到达地面。当通道的烟气流经过前面的羽流上升卷吸、径向扩散与壁面的碰撞等以后，烟气进入一维纵向蔓延阶段时，通道烟气流的温度己经逐渐降低，一般不超过100 ℃。

图4 不同时刻温度分布

4 结束语

文章采用FDS软件对舱室火灾通道烟气特性的仿真模拟分析，研究了通道内火灾烟气的温度分布特性和烟气蔓延运动规律，得出以下结论。

1)烟气在竖直方向呈现明显的分层流动。在舱室火灾中，通道内烟气的温度在同一竖直面内不同，由上到下温度逐渐降低，顶部最高；在同一水平面内温度也不一样，越靠近火源一侧，温度越高。

2)在舱室火灾中，通道中的烟气首先向上运动形成顶棚射流，向上运动受到阻挡后沿径向向四周散开传播，遇到侧壁的阻碍后，沿通道水平纵向运动。在通道末端开口的上沿运动受阻沿侧壁下流和回流。遇到通道开口后一部分烟气通过开口逸散到外界，剩下的则继续堆积，并慢慢回流向下填充直到整个通道空间都充满烟气，此时开口处的烟气会一直向外扩散。

3)通过此次仿真研究的模拟，得出了烟气的温度特性分布和流动规律，这为以后人员的逃生提供了理论指导。当遇到通道火灾时，人应该尽量保持低身前行或匍匐前行，以免吸入烟气或被烟气烧伤导致生命危险。

[1] 陈利源，刘燕红，刘伯运，等.顶部开口舱室火灾特性的数值模拟研究[J].四川兵工学报，2015(4)：139-143.

[2]刘军军，李风，张智强，等.火灾烟气毒性评价和预测技术研究[J].中国安全科学学报，2006,16(1)：76-82.

[3] 陈兵，陆守香，李强,等.顶部不同开口尺寸腔室中油池火灾的发展过程[J].中国科学技术大学学报，2011(10)：895-901.

[4] 李强.船舶顶部开口舱座火灾烟气特性实验研究[D].合肥:中国科技大学，2013.

[5] 蒋玲，刘筱路，王瑛琪.火灾计算机模拟技术发展现状浅析[J].消防科学与技术，2009(3)：156-159.

Study on smoke flow and temperature parameters of shipboard fire has significant influence on personnel escape and rescue.Based on the numerical simulation of diesel pool fire in compartment and passageway,characteristics of smoke flow and temperature pattern are studied in this paper.Furthermore,the curve of heat release rate and mass loss rate are respectively drawn.The conclusions will provide theoretical basis for the selection and arrangement on fan(s)， personnel escape and decision on fire fighting tactics.

cabin fire;passageway;smoke movement;temperature distribution

陈功(1990-)，男，湖北黄冈人，在读硕士研究生，研究方向为舰艇安全技术。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.04.007

2016-01-15