迎面风对航母甲板火灾影响分析

朱旭程，袁书生，曾 亮

（海军航空大学，山东烟台264001）

航母发展至今已成为现代蓝水海军不可或缺的一种作战武器，在海上控制、力量投送、战略威慑及一些非战争运用中发挥着重要作用。航母甲板火灾是影响航母和舰载机安全的一个重要因素[1]。典型航母甲板长度约340 m、宽约76 m，在这样不太大的区域内，要完成舰载机加油、起飞与着舰和舰面勤务保障等任务，特别是在加油和起飞着舰过程中极易发生火灾。研究表明[2]，飞机在航母甲板上失事后，燃油散流面积约80～120 m2，油层厚度平均2～3cm，火焰区温度达1 000℃以上，其辐射热使消防员难以近距离接近火场。机载弹药一般耐火时间约3min，甲板灭火对舰上人员将是非常大的考验[3]。燃油散流火为油池火灾，液体燃料受到空间火蔓延的热反馈蒸发为气体可燃物，热气体可燃物受浮力作用向上运动，与从环境卷吸来空气混合、燃烧形成空间火，甲板火灾受风的影响很大。

为开展航母甲板火灾特性与灭火技术研究，本文应用低速气流运动控制方程组和湍流燃烧大涡模拟方法对航母甲板油料火灾进行CFD数值仿真计算，研究不同迎面风速下此类火灾行为的一些特征和性质，对指导航母甲板火灭火技术研究具有一定借鉴意义。

1 航母甲板火灾烟气运动分析模型

1）甲板火灾烟气运动DES方程。航母甲板火灾流场是一种结构复杂的燃烧湍流，对瞬时湍流控制方程进行时均平滑滤波后[4]，可建立火灾烟气运动大涡模拟（LES）方程：

式（2）～（4）中：τ、q、Js分别表示湍流应力、热通量、质量通量。

湍流应力通常采用亚格子模型求解[5-6]，热通量和质量通量涡扩散模型求解[7]。

将火灾烟气运动LES方程在交错网格系上离散，在空间维上采用二阶精度差分格式计算，在时间维上采用显式二阶精度预测校正格式计算，采用局部时间步长加快收敛速度[8]，计算步骤如图1所示。

2）计算域与航母几何模型的创建。计算航母模型选取与美企业号[9]航母外形，取甲板长、宽和甲板距离水面高度分别为333 m、78 m、20 m，舰岛长宽高分别为20 m、12 m、20 m，舰岛中心距离甲板前沿190 m。设飞机漏油位置为甲板中心线上、距离甲板前沿185 m处，长宽均为10 m，厚度为2cm。计算区间：长×宽×高=420 m×200 m×100 m，见图2。模型甲板前沿位于对称垂面中（y=0 m，x=50 m）位置。

3）计算网格生成与条件参数设置。采用FDS6.0软件[10]生成计算网格，网格结点数目为840×400×200。计算中不考虑海浪的影响，假设海面为水平的固体壁面。海面处大气温度定义为20℃，计算域入口风速根据工况条件设置，并加上均匀分布随机噪声来模拟风速扰动[11]，出口边界和侧面采用自由边界，上表面采用滑移边界。

4）附加模型。燃烧反应流是一种多相湍流，需补充定义源项、输运方程等一些附加模型[12]。这里，采用混合分数方法[13]计算燃烧湍流，气流压强计算式为：

包括背景压强和诱导压强。

液体燃料表面燃料蒸汽体积分数计算式为[14]：

式（6）中：hv为蒸发潜热；Wf为分子量；Ts为表面温度；Tb为沸点。

2 航母甲板火灾流场特性分析

为了研究风速对航母甲板油料火灾的影响，计算工况如表1所示。图3给出了油池附近甲板上热流密度随时间变化的模拟结果。

表1 各工况参数Tab.1 Parameter setting of each case

由图3 a）可以看到，当无风时，油池火灾引起的航母甲板上各处的热流密度基本对称，火灾主过程的释热率接近时均稳定，时间长达50 s，随后缓慢下降。由图3 b）、c）和d）可以看到，在火灾初期迎面来风或风速有较小变化时，火灾释热率的变化趋势基本一致，t=10 s后出现了明显的差异，当存在迎面来风后，油池火灾引起的航母甲板上各处的热流密度完全不对称，背风侧甲板上热流密度明显高于迎风侧，说明火焰偏向舰尾，随着来风速度的增加，这一偏差显著增加；当风速1 m/s时，存在舰岛影响，油池左右侧甲板热流密度略有差异；火灾主过程的释热率时均变化不大，但呈现出略有增大的趋势，到达最大时均释热率后，释热率快速下降一段时间，然后变得缓慢；当风速3 m/s、5 m/s时，舰岛影响基本降为零，油池左右侧甲板上的热流密度基本相同。火灾主过程的释热率时均变化也不大，但呈现出略有减小的趋势，经过约50 s后，释热率快速下降。对比4种工况还可以看出，无风时甲板油池火灾的燃油基本上是一次烧完，当出现迎面来风后，火灾过程将出现2个阶段。

为了说明不同迎面来风速度对火焰蔓延及烟气运动的影响，图4给出了t=10 s时，4个工况下甲板对称面（y=0）上烟气压强分布的模拟结果。

由图4可见，当来风速度为1 m/s时，甲板油池火灾对气流压强分布的影响不大，火焰的倾角约为69°；当来风速度为3 m/s时，甲板油池火灾将在甲板上方产生正压、负压间断气流区域，来风速度越大，这一现象越明显，火焰的倾角约为56°；当来风速度为5 m/s时，火焰的倾角约为26°。火焰倾斜角度与来风速度成非线性关系。由于较大来风速度使火焰偏斜向油池后侧，空间火向油池的热反馈降低；当来风速度较小时，火焰偏斜不大，同时增加了对火场的供氧，所以出现了火灾释热率非单调变化特点。

3 实验分析与结果验证

为验证理论计算结果并进一步了解甲板火灾烟羽非定常特性，进行了舰模甲板火灾流场实验。实验原理见图5，实验模型采用特尔博模型公司定制的1/720的缩比舰模。

实验风速在0～5 m/s范围内调节，燃烧液体庚烷代替飞机漏油，通过激光PIV系统对舰模流场流态进行观测。PIV系统硬件设备使用LaVision公司产品，主要包括[14]：照明激光器、同步控制器、图像采集板、高速数字相机和计算机，如图6所示。

激光器为Nd：Yag双脉冲式激光器，使用2台脉冲激光器经过光束合束器通过一个光路出口并且严格空间上重合地发射出来，经过导光臂和片光源系统，产生照明流场的脉冲片光源。数字相机通过外部触发一次瞬间捕捉2帧图像。同时，将捕捉到的一系列图像数据通过图像采集板实时地传输到计算机内存中。触发信号由同步控制器提供，从而保持与脉冲激光器的完全同步。同步控制器通过内部时基产生周期的脉冲触发信号，经过多个延时通道同时产生多个经过延时的触发信号，用来控制激光器、数字相机和图像采集板，使它们工作在严格同步的信号基础上，保证各部分协调工作。计算机用于存储图像采集板提供的图像数据，通过粒子图像测速系统软件可以实时地完成速度场的计算、显示和存储。计算机硬件包括数字相机实时控制模块、图像采集板实时控制模块。软件包括：Davis 8.1数字图像采集和处理模块、实时粒子图像测速计算和粒子跟踪测速计算模块、粒子图像分析软件。软件部分集成了粒子图像测速（PIV）、粒子跟踪测速（PTV）、浓度场分析和粒径分析等功能模块；系统可计算互相关计算图像中部分区域及全部区域的速度；支持大量图像的批处理；具有设定分区自动计算功能；支持向量单点修正、单点赋值、向量滤波、修正所有向量；可对图像进行灰度调整、滤波、翻转、读值、模糊、放大缩小、对比度调整等通用数字图像处理；实时分析图像中颗粒的粒径分布情况，包括：颗粒的等效圆直径大小、空间位置坐标、等效长方形参数、颗粒截面面积等参数；包括图像灰度浓度场分析工具：分析图像灰度的空间分布变化得到相对浓度分布，并通过标定实现非线性绝对浓度场的测量；同时包括颗粒数目浓度场分布分析工具：实时分析空间中各区域包含各种直径颗粒数目的分布情况；兼容Tecplot流场分析软件和Origin数学分析软件。

应用激光PIV显示系统分别研究了迎面来风速度分别为0 m/s、3 m/s、5 m/s情况下甲板上方对称面内烟粒子速度分布（见图7），观测计算时间为点火后的15～50 s范围。在无风情况下v=0 m/s，火焰根部位于油池正上方，火焰存在瞬间波动，火焰和烟羽有较强的向上运动趋势，烟气分布前后基本对称。当风速v=3 m/s时，火焰根部向后方偏移，等效偏移量约8 m左右，燃烧主过程基本时均稳定；受来风影响，火焰和烟羽产生顺风运动趋势，向舰尾方向偏斜，烟羽偏向顺风方向倾角约为60°；烟羽未发生明显摆动，说明舰岛影响不大。当风速v=5 m/s时，火焰和烟羽偏角随风速增加明显偏大，烟羽偏向顺风方向倾角约为30°，火焰根部等效偏移量约12 m左右。实验与计算结果对比情况如表2所示，说明两者符合较好。

表2 实验结果与计算结果对比Tab.2 Comparison between experimental results and computed results

4 结束语

航母甲板火灾流场数据十分缺乏，本文综合运用CFD技术和激光PIV显示技术研究了不同迎面风速工况下航母甲板油料火灾的蔓延与烟气流动规律，研究结果对于航母甲板灭火技术优化和舰载航空装备的安全性分析有较大实用价值。

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