基于FDS的船舶货物转运通道火灾模拟研究

付云鹏 李 艇

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

基于FDS的船舶货物转运通道火灾模拟研究

付云鹏 李 艇

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

为明确船舶货物转运通道内火灾的蔓延特性，利用FDS（Fire Dynamicsimulator）火灾模拟软件建立某船货物转运通道数值仿真模型并进行模拟仿真。根据仿真结果分析该通道内发生火灾时烟气的扩散情况，研究该区域温度及能见度的变化规律，获得通道内温度及能见度超出人员承受范围的时间。研究结果可为船舶发生火灾后人员疏散策略及消防预案的制定提供指导和理论依据。

船舶；转运通道；FDS软件；火灾模拟

引 言

火灾与浸水、碰撞一起构成威胁船舶安全的三个重大问题。据国际海难救助协会的一项调查表明，进入20 世纪 80 年代，因火灾、爆炸所造成海难事故的比例逐年上升。在船舶设计过程中，火灾的防止与抑制已成为一项重要内容。为了降低火灾造成的损失，船舶通常采取水消防系统、泡沫灭火系统、气体灭火系统、舱室喷淋灭火系统，干粉灭火系统等多种灭火措施来对火灾进行抑制［1-2］；同时制定完整的消防预案及人员疏散策略来应对可能发生的火灾，保障乘客及船员的人身安全。本文以某船舶的货物转运通道为研究对象，分析火灾后未采取灭火措施情况下该通道内烟气及温度的变化规律，研究烟气及温度的扩散机理，为消防预案及人员疏散策略的制定提供理论依据，并为下一步通道内消防系统的设计奠定基础。

1 FDS模拟技术

FDS是由美国NIST（National Institute of standards and Technology）开发的一款三维CFD软件，可以计算燃烧所引起的流动及传热问题。该软件以大涡模拟为基础，采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的Navier-stokes（N-S）方程［3］。FDS能较好的模拟烟气运动，计算火灾导致的热烟传播过程［4］。FDS所求解的基本控制方程如下［5］：

质量守恒方程：

组分守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ为气体密度；u为气体速度；Yl为组分l的质量分数；Dl为组分l的传质系数；为组分l的质量流量；p为气体压力；g为当地重力加速度；f为作用在流体上的外部力（除重力外）；τ为粘性力张量；h为焓值；qr为辐射热通量向量；k为空气的热传导率；T为气体温度；hl为组分l的焓。

2 模型的建立

2.1 物理模型

为模拟船舶货物转运通道火灾蔓延情况，参照某船货物转运通道实际尺寸在FDS软件中进行建模（见图1）。模型主体结构和分隔构件材料均为钢铁，在两侧通道左端均设有防火门，仿真过程中认为两个防火门为打开状态。

2.2 边界条件设置

模拟通道区设有进风口2个，尺寸均为0.7m×1.0m，对称分布于通道中间区域侧壁上，具体位置如图1所示；排风口数量为2个，尺寸均为0.7m×1.0m，分别位于通道中间部位顶棚下部，具体位置如图1所示。根据相并规范要求，火灾发生时，进风机和排风机均要并闭，因此在模拟过程中，进风口和排风口的实际风量均设置为0。

根据火源辨识分析，该区域可能发生火灾的最大火源功率为10mW，火源为油池火，设定于模拟通道区靠右侧地面上（见图1）。考虑人员疏散及灭火时间限制，仿真时间定为600s。由于所模拟通道区域沿船长方向跨度较大，因此在进行烟气层高度及温度变化分析时，在沿船长方向上，按照距离火源由近至远，将整个模拟区划分为区域3、区域2及区域1三个区域进行分析（如图2所示）。

3 模拟结果分析

3.1 烟气蔓延情况分析

仿真时间内，通道区烟气的蔓延情况以及烟气层高度随时间的变化曲线如图3和图4所示。

由图3可见，当100s时，随着火焰的逐渐增大，烟气开始向非着火侧蔓延；当200s时，火焰进一步扩大，烟气生成量大且扩散快，基本已经布满整个通道区；320s时，由于火源附近氧气不足，火焰基本熄灭；直至600s时，仿真结束，烟气弥漫在整个通道区。

由图4可见，在没有进风和排烟的情况下，通道区域内烟气下降速度很快，离火源由近到远的区域3、区域2和区域1中烟气层高度下沉至临界高度2m的时间分别约为70s、100s和140s。350s时，三个区域内的烟气层下降至最低位置，约距地面0.5m。

在有限空间内，烟气随着火焰的扩大而快速生成并累积，继而迅速扩散至整个空间。在火灾发生约320s时间点附近，起火点处火焰逐渐由于氧气不足而熄灭，烟气量在350s左右达到最大，不再有新的烟气产生。此时，烟气通过通道左端与外界连通的2个防火门慢慢排出。因此350s后，区域2和区域1的烟气层高度逐渐上升，但因为防火门面积有限且烟气流动为自然对流，排出较慢，直至600s时仿真结束，各区域烟气层高度仍位于2m以下。

3.2 温度变化规律分析

仿真时间内，通道区距地面2m截面上温度分布如图5所示。

由图5可以看出，130s时，区域3和大部分区域2的温度达到60℃，而区域1内的温度还相对较低；190s后，1、2、3区域2m高度截面上的温度均达到了60℃。320s后直至600s时仿真结束，所有区域2m高度截面上的温度基本均维持在为60℃以上。

火焰发生初期，火焰附近（即区域3）的温度会受火焰的热辐射而迅速升高，而此时区域2由于高温烟气的扩散，温度升高也较快。区域1因为距离火源较远，且根据图3，130s时该区域还未受到高温烟气的大范围影响，因此温度相对较低。190s后，随着高温烟气弥漫至整个通道区域，整个通道区在火焰热辐射和高温烟气对流传热的影响下，温度均上升至60℃以上。320s左右，火焰熄灭，但是因为有限空间内气体热惯性较大，一直到600s时仿真结束，通道区温度仍保持在60℃以上。此种状态下，人员无法进入通道区进行灭火，同时区域内其他可燃物品及周围舱室内的可燃物品可能被引燃，导致火灾影响进一步扩大。

3.3 能见度变化规律分析

仿真时间内，通道区距地面2m截面上能见度分布如下页图6所示。

由图6可见，100s时，火源周围区域3的能见度已达到临界水平10m；140s时，区域2的能见度下降到10m；180s后直到仿真结束，整个通道区所有区域2m高度截面上的能见度均下降至10m。

根据以上分析，能见度的变化规律与烟气的扩散规律基本相同。当70s时，区域3内烟气层高度下降至2m，该区域内2m截面处的能见度最先降至10m以内；100s至140s时，区域2和区域1内的能见度也逐渐降低。180s后，随着烟气布满整个通道区，通道区域内2m截面处的能见度均降至10m以内。

4 结 论

本文对某船货物转运通道区可能发生的典型火灾进行无灭火措施干预状态下模拟仿真。仿真结果表明：各个区域烟气层高度在火灾发生后140s左右降至对人体产生影响的距离地面2m处；130s后，温度将大面积达到60℃以上；而能见度在140s后大面积下降到10m。因此，该货物转运通道区内人员可用安全疏散时间约为130s，消防无并人员应尽量在火灾发生后130s内离开该区域，以保证其人身安全并避免妨碍消防灭火；消防人员进入灭火的最佳时间也在130s内，及时采取灭火措施，以防止火势进一步扩大。

本文所建立的模型和获得的仿真结果可以作为火灾发生后人员疏散策略及消防预案制定的指导和理论依据，还可用于指导通道区内消防系统的设计，从而为进一步研究消防系统作用下火灾的蔓延过程，通过仿真分析得到最优的通道区消防系统设计参数打下基础。

［1］ 中国船舶工业集团公司．船舶设计实用手册（轮机分册）［M］ ．3版．北京：国防工业出版社，2013．

［2］ 赵楠，刘伟．舰船直升机飞行甲板干粉灭火系统的应用及设计［J］ ．船舶，2016（1）：64-67．

［3］ KEVINmc Grattan，SIMO Hostikka．Fire Dynamics simulator Technical Reference Guide［M］．Version5．Maryland，America：NISTspecial Publication，2007．

［4］ 张博思，陆守香．机械通风对船舶机舱火灾烟气控制的影响分析［J］ ．船海工程，2013（4）：28-34．

［5］ 张凤香，吴晓伟．舱室消防预案数值模拟设计及实现［J］ ．舰船科学技术，2015（7）：93-98．

Fire simulation of ship transport passageway based on fire dynamic simulator

FU Yun-peng LI Ting
(Marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

To clarify the spread characteristics of the ship transport passageway, this paper carries out the numerical simulation of the ship transport passageway by using a fire simulation software Fire Dynamic simulator (FDS) and conducts the simulation experiment. By analyzing the smoke diffusion in the passage during fire according to the simulation results, the variation of the temperature and the visibility in the passage are studied to obtain the time when the temperature and visibility of the passage are beyond the tolerance of the personnel. The results can provide guidance and theoretical evidence for the people evacuation strategy and the fire protection plan after the fire occurred in the ship.

ship; transport passageway; fire dynamic simulator (FDS); fire simulation

U675.79

A

1001-9855（2017）05-0028-05

2017-02-22；

2017-04-13

付云鹏（1988-），男，硕士，工程师，研究方向：船舶动力装置设计与研究。李 艇（1980-），男，高级工程师。研究方向：船舶轮机工程。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.028