细水雾抑制舰船会议室火灾的大涡模拟

袁书生，丁伟锋，赵元立

1海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台264001

2海军航空工程学院指挥系，山东烟台264001

细水雾抑制舰船会议室火灾的大涡模拟

袁书生1，丁伟锋2，赵元立2

1海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台264001

2海军航空工程学院指挥系，山东烟台264001

舰船会议室因固体可燃物多且密集，采取自动和人工灭火措施是抑制火灾蔓延的最好方法。舰船会议室传统上采用的是哈龙或惰性气体灭火系统，因其固有的缺点，细水雾灭火系统成为有效防止火灾蔓延的替代技术。基于固体可燃物热解燃烧和火灾蔓延大涡数值模拟方法，研究了舰船会议室的门在开启状态下，细水雾灭火喷头的不同水滴平均直径对抑制室内火灾蔓延和烟气运动的影响。结果表明，当水滴喷射初始速度为5 m/s，喷头由自带的温控传感器启动时，采用水滴平均直径小于500 μm的喷头，喷出水雾时会强化会议室内火灾的初期蔓延。综合考虑抑制室内火灾蔓延并防止室内电器设备受到损害，细水雾灭火系统喷头的水滴平均直径选为500～750 μm较好。

舰船；损害管制；细水雾灭火系统；大涡模拟；固体可燃物

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1320.006.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：袁书生，丁伟锋，赵元立.细水雾抑制舰船会议室火灾的大涡模拟［J］.中国舰船研究，2016，11（5）：120-127.

YUAN Shusheng，DING Weifeng，ZHAO Yuanli.Large eddy simulation of fire suppression in ship meeting room with water mist extinguishing system［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：120-127.

0　引言

舰船会议室是一个人员活动频繁而防火安全管理较为复杂的公共场所。在会议室中，一般布置有沙发、会议桌、茶几、电视柜和地毯等，具有可燃物多、布置密集的特点，一旦发生火灾，将给室内灭火造成相当大的困难，进而对全舰安全带来较大的危害。传统的哈龙或惰性气体灭火系统因不利于自动和手动灭火同时进行，且会对环境、人员造成危害，如哈龙灭火剂对大气环境的不良影响非常大，热分解产物多为剧毒物质；惰性气体靠降低火场氧气浓度的方式灭火，危害人员作业安全。而细水雾灭火系统因灭火效率高、无毒无污染、对设备无破坏，逐渐成为上述2种灭火系统的替代方案。

将可燃物和火灾发生过程进行比较，舰船会议室火灾与陆上建筑物室内的火灾相差无几，但从火灾蔓延和灭火的角度看，前者在火灾发生时对环境造成的影响以及危害更加独特，主要是因为：舰船舱室内通常处于通风不良的状态，排烟困难，发生火灾后室内火灾烟气温度更高，而且火灾蔓延剧烈；燃烧不完全，燃烧产物的危害性更大。鉴于舱室防火关系到舰船生命力和战斗力的保持，发生火灾时，需要在最短时间内扑灭，并尽可能不损坏舰船上的其他设备，故舰船会议室的灭火系统设计要求更高。

从灭火战术角度，只有允许灭火人员进入发生火灾的会议室，快速发现着火点，才能高效灭火。当前便于人员进入现场、抑制火灾蔓延最有效的手段显然属于细水雾灭火系统。过去研究舰船细水雾灭火系统的灭火效果主要采用实验方法［1-2］，其成本高，危险性大。近年来，因湍流大涡模拟方法具有信息量大、精度较高等优点，其在火灾研究中得到越来越多的应用。

本文将针对水雾—热烟气两相流动及相互作用的特点，采用水滴热蒸发模型及Euler-Lagrange两相流模拟策略，考虑两相之间的质量、动量和能量的耦合，固体可燃物燃烧采用热解动力学与空间火灾蔓延相互作用模型，对水雾灭火条件下的舰船会议室内火灾蔓延及烟气运动进行大涡数值模拟，在此基础上研究水滴尺寸对火灾蔓延抑制效果和室内积水的影响。

1　数学模型与数值求解方法

针对安装有细水雾灭火系统的情况，描述低马赫数下舰船会议室内的火势、烟气运动和火灾蔓延过程的湍流瞬时控制方程组，并应用盒式滤波器进行Favre滤波运算，得到大涡模拟的控制方程组，它们在直角坐标系中的形式包括如下一系列方程。

连续性方程：

动量方程：

能量守恒方程：

式中：Js为亚格子湍流质量流通量；为气体组分的化学反应源项；为水滴蒸发的气体组分生成源项，下标s为气体的组分。

水滴运动表述为

式中：md为单一水滴质量；ud为水滴运动速度；ρd为水的密度；CD为水滴在气体中运动的阻力系数；rd为水滴半径。

式中，xd为任意时刻水滴在气流场中的空间位置。

水滴蒸发表述为

式中：Ad为水滴表面积；hm为水的质量蒸发系数；Yd为水蒸发的平衡质量分数；为当地水蒸汽质量分数。

式中：cd为水的比热；Td为水滴的温度；h为水滴与气体的对流换热系数；hs为水滴与固体壁面的对流换热系数；Ts为固体壁面温度；q̇r为水滴与气体之间的辐射换热热流；hv为水的蒸发潜热。和分别由下式计算：

式中，δxδyδz为计算网格的3个尺寸。

本文对亚格子湍流应力、热流通量和质量流通量分别采用Smagorinsky模型［3］和涡扩散模型［4］模拟，然后采用Werner-Wengle壁模型对近壁区进行修正［5］。对于湍流燃烧则采用多步反应的混合物分数模型［6］模拟，辐射传热则运用有限体积法［7］模拟。

模拟时，假设固体可燃物燃烧过程是热解成为同组分的气体可燃物，对固体可燃物燃烧采用热解动力学模型［8］模拟，如式（12）所示。

式中：ds/dt为热解引起的固体表面局部移动速率；A为热解反应的指前因子；E为热解反应的活化能；Tw为热解固体表面的局部温度；R为通用气体常数。

考虑到固体热解与空间火灾蔓延的耦合作用，空间火灾蔓延与烟气运动的大涡模拟每计算3个时间步长，进行1次固体温度、热解速率和热解表面位置的更新计算，并将得到的固体热解速率、热解表面位置和表面温度作为空间火灾蔓延与烟气运动大涡模拟计算的新边界条件。采用式（13）固体沿厚度方向的局部一维非稳态导热方程计算固体表面的温度分布，并采用式（14）固体相变表面的边界条件或热量平衡关系式［9］。

式中：ρs，cs，Ts，λs和ΔHv分别为可燃固体的密度、比热、温度、导热系数和热解吸热量；x为可燃固体表面内法线方向坐标；qc和qr分别为固体相变表面受到的火灾烟气对流热流密度和净辐射热流，由空间火灾蔓延与烟气运动的大涡模拟结果得到。

当固体表面出现水膜时，固体可燃物热解停止。此时，计算新的固体温度时考虑水膜的影响，水膜受到空间火灾蔓延和固体壁面的共同加热作用而蒸发。

在交错网格系上对上述变换后的大涡模拟控制方程组进行离散化。各方程在时间上的离散采用显式二阶精度的预测校正格式，在空间上的离散采用二阶精度的差分格式，其中对于对流项在预测步采用偏向迎风的差分格式，在校正步采用偏向背风的差分格式，对扩散项则采用中心差分格式。建立压力的泊松方程，并采用FFT方法直接求解。

2　模拟对象与工况参数

选取与实际舰船会议室条件接近的对象，对图1所示模拟会议室内固体可燃物热解和空间火灾蔓延相互之间的作用进行大涡数值模拟。会议室的主要尺度、布置以及模拟工况等参数说明如下：

1）模拟的会议室。

会议室主要尺度为8.0 m（长）×8.0 m（宽）× 2.5 m（高）；舱壁中央的门尺度为1.8 m（高）×1.2 m（宽）；铺板、天花板及各舱壁均为0.016 m厚的钢板。

室内布置包括：1个放置在中央的4.9 m（长）× 3.8 m（宽）×0.2 m（厚）木制会议桌；2个分别布置在东西舱壁的2.6 m（长）×0.8 m（宽）×0.4 m（高）双人沙发，其中，一个距南侧舱壁1.5 m，另一个距南侧舱壁0.5 m；2个0.8 m（长）×0.8 m（宽）×0.4 m（高）单人沙发，其中，一个位于南侧舱壁中间，另一个位于西侧舱壁靠门一侧，距北侧舱壁0.5 m；10个对称布置在会议桌东西两侧的0.4 m（长）× 0.3 m（宽）×0.6 m（高）木制小方凳，并且内沿与桌外沿对齐；1个布置在东北角的1.0 m（长）×0.8 m（宽）×0.80 m（高）木制电视桌；地面铺板上覆盖有6 mm厚的化纤地毯。

为了研究细水雾灭火系统抑制舰船会议室内的火灾蔓延情况，在天花板上均匀布置有25个细水雾灭火喷头。参考灭火系统的喷水强度，选取各喷头的水流量值为12.8 L/min。

2）工况参数。

数值模拟时，假设点火源空间尺度为0.1 m× 0.1 m×0.05 m，模拟烟头的热水泥温度为800℃，并放在1个双人沙发上表面，靠近后靠背，距右扶手0.5 m，如图1所示。

在各坐标方向上采用均匀网格划分，空-间网格数为128万个。选取不同水滴平均直径d进行计算，并研究不同水滴平均直径对会议室火灾抑制的效果，包括无细水雾灭火系统以及有细水雾灭火系统时250，500和750 μm不同水滴平均直径等4种工况。

计算总时间取为3 000 s，时间步长由满足数值稳定性要求的CFL数确定。计算从在沙发上放置点火源开始，即t=0，到t=900 s时点火源消失。细水雾灭火系统的喷头由自带的温控传感器启动，启动温度为74℃。计算中，会议室门完全打开，模拟人员参与灭火情况。

假设细水雾灭火系统的喷射半锥角为50°，喷头出口水滴平均直径符合修正的Rosin-Rammler分布，水滴喷射的初始速度取5 m/s。计算时，当水滴运动遇到热固体壁面时，以0.5 m/s的速度在垂直固体表面和0.2 m/s的速度在水平固体表面，在随机给定的方向水平运动，水雾在运动的同时从固体壁面吸热及蒸发。

本文使用的工具为火灾动力学模拟软件FDS5.5，该软件在国内外多用于火灾工程研究，并得到验证［10-11］。计算中，室内的舱壁、铺板及天花板采用厚壁假设，即建立局部一维非稳态导热方程计算温度；考虑舱壁外表面及天花板表面与环境空气之间的辐射与对流换热，假设铺板下表面绝热；固体材料导热系数和比热值等参数取自美国商务部标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）网站火灾科学分部数据库；取环境温度为25°C；燃烧产物中取炭黑质量分数为2.0%，供氧充足时取火焰中产生的CO质量分数为1.0%。

图1　舰船会议室示意图Fig.1Sketch of ship meeting room

3　结果与讨论

图2所示为舰船会议室的门处于开启状态时4种工况的火灾释热率模拟结果。由图可以看出，在t为0～400 s时，会议室内的火灾属阴燃阶段，火灾释热率Q增加非常缓慢；当t=20 s时，模拟有遗弃烟头的大沙发被点燃，其后火灾释热率明显增加；当t=462 s时，细水雾灭火系统启动，然后在喷头水流量和水滴喷射初始速度相同的情况下，水雾喷头出口的不同水滴平均直径对火灾释热率的影响出现了差异，喷射初期不仅释热率的增加速率没有降低，反而加快了火灾蔓延，水滴平均直径越小，效果越明显。

图2　会议室内有无细水雾灭火系统时火灾释热率随时间变化的计算结果Fig.2The simulated heat release rate of fire in ship's meeting room with or without water mist extinguishing system

然而，当水滴平均直径为500和750 μm时，尽管水雾喷射初期有强化火灾蔓延的趋势，但仍然降低了火灾释热率的峰值。当水滴平均直径为250 μm时，火灾释热率的峰值反而达到了没有细水雾灭火时的峰值。从物理机理上分析，出现这种现象的原因是：当水滴平均直径较小时，水滴受到火灾烟气浮力作用后，下降较慢，很快在上层热烟气中蒸发。尽管在水滴蒸发过程中吸收热量会降低热烟气温度，从而延缓火灾蔓延，但是由于灭火初期喷射出的水雾总量小，此时热烟气温度下降部位主要集中在上层空间，对靠近地面可燃物附近的热烟气影响不大。同时，由于火灾初期细水雾灭火产生的蒸汽占据了上层空间，火灾热烟气受到水蒸汽挤压快速向下折射，提高了下层热烟气的温度，同时增加了可燃物的热解强度。

比较图2中不同尺寸水雾对火灾释热率的影响还可以看出，水滴平均直径为750 μm的细水雾喷头抑制火灾蔓延较好。

为了说明出现细水雾喷射初期反而加快火灾蔓延的原因，图3和图4分别给出了t=1 230和1 400 s时会议室内4种计算工况下垂直对称面上的烟气温度分布（单位：℃）。

由图3（a）可以看出，室内火灾烟气温度呈现较为明显的分层结构，仅在位于西南角的大沙发靠近点火源附近的区域存在局部高温区。当t=462 s，细水雾灭火系统启动后，由于处于喷射灭火初期，水雾对室内火灾烟气温度的大部分区域分布影响不大，包括250，500和750 μm的水滴平均直径，无论哪种，在室内2.2 m以下空间内火灾烟气温度分层结构基本相同，但是在靠近天花板非常小的空间层内出现了局部高温，水滴平均直径越小，对应的局部高温区就越大。

由图3（b）可以看出，水滴平均直径为250 μm时的高温区比无水雾灭火时还要大，且该局部高温区是封闭的，表明此时上层热烟气向门口流动的趋势较弱。以上现象说明，水滴平均直径为250 μm时，水雾蒸发较快，产生的热蒸汽包住了火灾热烟气，延长了热烟气在室内的停留时间，所以当水滴平均直径较小时，水雾喷射初期反而强化了室内火灾蔓延。图3（c）和图3（d）则表明，上层热烟气已经具有了向外流的趋势。

图3　t=1230s时会议室垂直对称面上的烟气温度分布Fig.3The distribution of smoke temperature on the vertical symmetric plane in ship's meeting room at t=1 230 s

图4　t=1400s时会议室垂直对称面上的烟气温度分布Fig.4The distribution of smoke temperature on the vertical symmetric plane in ship's meeting room at t=1 400 s

由图4（a）可以看出，室内火灾烟气温度分层结构仍较为明显，仅在靠近点火源附近的区域存在局部高温区。此时，水雾对室内火灾烟气温度的分布有了较大影响，烟气温度分层分布仍存在。但是，无论水滴平均直径多大，在靠近天花板的空间层内均出现了局部高温，水滴平均直径越小，对应的局部高温越高，所以当水滴平均直径较小时，水雾喷射时会强化室内火灾的初期蔓延（图2）。

为了进一步说明细水雾喷头不同平均直径的水滴抑制会议室内火灾蔓延的影响，图5分别给出了t为0～1 400 s时会议室中心位置烟气的时均温度垂直分布。由图可以看出，在计算采用的喷头水流量下，不同水滴平均直径的水雾灭火系统均显著降低了会议室内的烟气时均温度，水滴平均直径对烟气温度的不同影响主要是在高度高于1.5 m的上层空间，会议桌下的下层空间烟气温度的差异不大。当水滴平均直径分别为250，500和750 μm时，水滴平均直径对烟气温度的影响差异很小。由该图还可以看出，在喷头水流量和水雾喷射初始速度相同的情况下，水滴平均直径越大，火灾蔓延过程中室内烟气的时均温度越低。

图5　t为0～1400s时会议室中心垂线上的烟气时均温度分布Fig.5The distribution of smoke average temperature on the vertical line at the center of ship's meeting room between t=0 s and t=1 400 s

为了研究细水雾喷头不同平均直径的水滴对会议室内电器设备造成的影响，图6给出了t= 1 500 s时会议室桌面上的水滴密度分布（单位：kg/m2）。由图可以看出，当水滴平均直径越小时，会议桌面上的积水就越多。为了解释这个与常识矛盾的现象，图7给出了t=1 400 s时3种灭火工况下会议室内高度z=2 m水平面上的水滴密度分布。

由图7看出，由于水雾喷射时的水滴平均直径不同，在热烟气中蒸发速率不同，导致喷头附近的烟气温度存在差异，由自带温控传感器启动的喷头数量也不同。如当t=1 400 s水滴平均直径为250 μm时，有13个喷头启动；500 μm时，有12个喷头启动；750 μm时，有8个喷头启动。实际上，出现图6情况的主要原因是，相同时间内平均直径小的水滴上层热烟气温度较高，从而启动了更多的温控喷头。

图6　t=1500s时会议桌面上水滴密度分布Fig.6The distribution of water droplet density on the table at t=1 500 s

图8给出了会议室门口中心线上不同高度的区域热烟气温度随时间变化的计算结果。由图可以看出，在t=462 s时，细水雾灭火系统启动到t=1 200 s之间，安装有细水雾灭火系统反而使门口的排烟温度较无细水雾灭火系统时的有所增加。在t=1 200 s后，水雾灭火仅使出口处上方（z=1.8 m）的烟气温度较无水雾灭火时高，使出口处下方（z=1.2 m）的烟气温度（约35℃）较无水雾灭火时显著降低。从t=1 300 s开始，水雾灭火使出口处上方（z=1.8 m）的烟气温度（约60℃）较无水雾灭火时也显著下降。此时，水滴平均直径不同，但喷头的水雾流量和喷射的水滴初始速度相同，对出口处上方（z=1.8 m）的烟气温度改变影响不大。因此，从有利于人员进出会议室进行人工灭火角度看，水滴平均直径为250和500 μm时效果较好。

图7　t=1400s时会议室内高度z=2 m水平面上的水滴密度分布Fig.7The distribution of water droplet density on the level plane of z=2.0 m at t=1 400 s

图8　会议室门口中心线上不同高度区域烟气温度随时间变化的计算结果Fig.8The calculated smoke temperature at different height on the center line of ship's meeting room door

综上所述，当喷头水雾的流量和喷射的初始速度一定的情况下，并不是水滴平均直径越小越好。如果水滴平均直径小于250 μm，一方面会在水雾喷射初期强化火灾蔓延；另一方面，当喷头自带温控传感器启动时，喷头启动快，将导致灭火初期就会在室内残留大量的水，一旦泄漏到下层舱室，可能对电器设备造成损坏。此外，已经有研究表明，水滴平均直径接近1 000 μm时，更易在室内地面积水［12］。比较而言，从抑制会议室火灾蔓延便于人工灭火、避免舱室内的电器设备损坏角度看，水雾水滴平均直径在500～750 μm之间较好。

4　结论

本文采用固体可燃物热解燃烧模型和火灾蔓延大涡模拟方法，探讨了安装有细水雾灭火系统、喷射水雾初始速度5 m/s、喷射的喷头水流量不变的舰船会议室内，不同水滴平均直径对门处于开启状态时抑制室内火灾蔓延和烟气运动的影响，并得到结论如下：

1）水滴平均直径小于500 μm时，喷射的水雾初期会强化室内火灾的蔓延。

2）当喷头由自带的温控传感器启动时，水滴平均直径越小，相同火灾蔓延时间启动的水雾喷头越多。

3）综合考虑抑制会议室的火灾蔓延、便于人工灭火、防止舱室内电器设备损坏等因素，细水雾灭火系统的水滴平均直径应在500～750 μm之间选取。

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Large eddy simulation of fire suppression in ship meeting room with water mist extinguishing system

YUAN Shusheng1，DING Weifeng2，ZHAO Yuanli2
1 Department of Airborne Vehicle Engineering，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China
2 Department of Command，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China

Solid combustibles in the meeting rooms of ships are numerous and densely packed.If a fire occurs，it is preferable for automated fire extinguishers and manual fire fighting methods to be used at the same time.If the situation demands that firefighters go to the scene，a water mist fire suppression system is necessary.In this paper，a model based on the pyrolysis kinetics of solid combustibles and the Large Eddy Simulation（LES）are used to investigate fires in an open-door ship's meeting room with a water mist fire suppression system，and the effects of different diameters of water droplets on the spread of the fire and the motion of the smoke are obtained.The simulated conditions are such that the initial velocity of the droplets equals 5 m/s，and the water mist fire suppression system is activated by the temperature sensors on the sprayers.When the average diameter of water droplets is less than 500 μm，the fire in the ship's meeting room is enhanced in the first stages of spraying.In order to meet the needs of both suppressing the fire and protecting the electric equipment，it is suitable for the average diameter of the water droplets to be between 500 μm and 750 μm.

ship；damage control；water mist fire suppression system；Large Eddy Simulation（LES）；solid combustibles

U664.88

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.018

2015-11-23网络出版时间：2016-9-21 13:20

袁书生，男，1963年生，博士，教授。研究方向：湍流燃烧实验与模拟研究。

E-mail：yuanshusheng@tsinghua.org.cn

丁伟锋（通信作者），男，1979年生，博士，讲师。研究方向：装备安全管理与技术。

E-mail：dingweifeng1029@sina.com