侧向风对航母甲板油池火灾影响分析

朱旭程, 袁书生, 曾 亮

(海军航空工程学院 飞行器工程系, 山东 烟台 264001)

航母火灾是影响航母和舰载机安全的一个重要因素[1]。文献[2]总结分析了自1942年以来国内外(主要是美军)航母火灾发生原因、致灾后果、消防设施与防控经验措施等。航母甲板是舰载机完成燃油加注、弹药补充等活动的场所,一旦出现火灾极易引起爆炸事故。航母甲板火灾出现的因素很多,如飞机事故、碰撞、油箱破裂、燃油泄漏、弹药意外发火等都可能引起甲板起火燃烧,形成区域火和散流火[3]。随流体计算技术发展,近年来国内关于火灾大涡模拟和大型舰船空气流场计算的论文也逐渐增多[4],有关航母火灾方面的研究主要集中在航母火灾危害性、安全性分析方法研究[5],以及舰船消防设施、飞机灭火系统设计方面[6],而关于航母甲板火灾流场方面研究资料十分缺乏。

为开展航母甲板火灾蔓延与烟气运动特性研究,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不同侧向风速下航母甲板油料火灾进行数值模拟,分析此类火灾的蔓延行为特征和流场性质对航母甲板灭火系统设计、弹药舱隔热防爆设计等问题将会有理论指导和帮助作用。

1 航母甲板火灾烟气运动分析模型

1.1 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平滑滤波后,可建立火灾烟气运动大涡模拟(DES)方程[3]如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

将火灾烟气运动DES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,其中对流项采用基于Superbee通量限制器的TVD格式,扩散项采用中心差分格式计算；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。

1.2 计算域与航母几何模型的创建

航母模型选取美企业号航母外形,甲板长333 m、宽78 m,离水面高20.0 m,舰岛长、宽、高分别为20 m、12 m、20 m,舰岛几何中心距甲板前沿190 m。当飞机失事造成燃油泄漏时,典型的燃油散流火面积[3]可达85～100 m2,油层平均厚度2～3 cm。这里设置飞机漏油位于航母舰体对称面上,液体区域距甲板前沿185 m、长宽10 m、厚度2 cm。选取图1所示的计算域,长420 m、宽200 m、高100 m。航母模型位于计算域垂直对称面(y=0)上,甲板前沿距离计算域入口50 m。

图1 航母模型与计算区域示意图

1.3 计算网格生成与条件参数设置

采用FDS6.0软件[7]进行求解、生成计算网格。在各坐标方向上分别采用均匀网格划分,网格结点数目取为420×200×100。计算时间取300 s,时间步长由CFL数确定。计算中不考虑海浪的影响,假设海面为水平的固体壁面。取海面处大气温度为20 ℃,大气温度变化率Γ=-0.005 K/m。在计算域入口(x=0),给定风速条件,出口和垂直侧面采用自由边界条件,上表面采用滑移边界条件。在计算域的开口表面上,如果法向速度分量指向域外,则各变量取为自由边界面条件,反之各变量则取为外界环境空气的参数。为模拟进口处的扰动,对速度边界条件加上随机噪声,并取随机噪声为均匀分布。

1.4 选择设置附加模型

(5)

液体燃料发生火灾时,假设受外部加热在表面蒸发成为同组分的气态燃料在空间与空气中的氧气混合燃烧。液体燃料表面温度达到沸点时,其表面上燃料蒸气体积分数Xf符合Clausius-Clapeyron关系式[10]:

(6)

其中,hv为液体燃料的蒸发潜热,Wf为燃料的分子量,Ts为液体燃料表面温度,Tb为液体燃料的沸点。

将池内的液体视为厚壁固体,即仅仅考虑着火表面法向的导热,不考虑液体内的对流换热,采用一维双通量模型计算环境向液体内部的热辐射。

2 航母甲板火灾流场特性分析

为研究不同侧向风速对航母甲板油池火灾影响规律,考虑风速v为0、1、3、5 m/s情况下的左侧来风。

图2给出了油池(x=235 m处)附近甲板上热流密度随时间(时间从前甲板端开始)变化的模拟结果。由图2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；当存在左侧面来风后,油池火灾引起的航母甲板上各处的热流密度不再对称,侧风对火灾释热速度有较大影响,而且侧风越大释热率波动幅度越大；当v=1 m/s时,油池前后甲板上热流密度尽管存在差异,但差别不大,变化趋势一致；油池右侧(背风侧)甲板上热流密度与油池左侧(迎风侧)的明显不同,在t=40 s前,油池背风侧(右侧)甲板上热流密度明显高于油池迎风侧(左侧)的,说明此期间火焰偏向舰右舷；而t=40 s后,油池迎风侧(左侧)甲板上热流密度则明显高于油池背风侧(右侧)的,说明此期间火焰偏向舰左舷。当v=3 m/s时,油池前后甲板上热流密度也出现较大差异;在t=25 s前,油池前后甲板上热流密度基本相同；在t=25 s至t=40 s期间,油池后甲板上热流密度明显高于油池前的;在t=50 s 左右一小段时间内,油池前甲板上热流密度变为高于油池后的;在t=55 s后,油池后甲板上热流密度又高于油池前的；在t=15 s,油池右侧(背风侧)甲板上热流密度与油池左侧(迎风侧)的明显不同,油池左侧(迎风侧)甲板上热流密度基本接近零；在t=15 s至t=25 s期间,油池左右侧甲板上热流密度差别不大;在t=25 s至t=40 s期间,油池左侧甲板上热流密度略高于右侧的;而t=50 s左右,油池右侧甲板上热流密度则出现一个明显高于油池左侧的一个小的时间段。当v=5 m/s时,在t=10 s前,油池前后甲板上热流密度基本相同；在t=10 s至t=50 s期间,油池后甲板上热流密度高于油池前的;在t=50 s至t=70 s期间,油池后甲板上热流密度变为高于油池前的;在t=75 s后,油池前甲板上热流密度则高于油池后的；在t=12 s前,油池左侧(迎风侧)甲板上热流密度基本接近零,油池右侧(背风侧)甲板上热流密度明显高于油池左侧(迎风侧)的,在t=12 s后,油池右侧甲板上热流密度非常小,在火灾蔓延的以后过程中,油池左侧甲板上热流密度明显高于油池右侧的。

图2 甲板上不同位置热流密度随时间变化

上述分析表明,受侧面风的影响,航母甲板油池火灾释热率随着侧面风速呈非单调变化,火焰在气流中发生了明显的摆动。

为了说明左侧来风对火焰蔓延及烟气运动的影响,图3、图4分别给出了t=10 s 和t=45 s 时油池附近(x=235 m)航母垂直面烟气温度分布情况，由图可见,当无风时,火焰基本是位于油池正上方、左右对称。当侧面风速为1 m/s时,火焰根部也基本上位于油池正上方,在t=10 s时刻主火焰区出现顺风方向倾斜,而火羽流有向逆风偏转的趋势；但在t=45 s时刻主火焰区出现逆风方向倾斜,而火羽流沿顺风方向运动。当侧面风速为3 m/s时,火焰与火羽流偏向顺风方向,倾角约为56 °,火焰根部沿顺风方向上出现偏移,在t=10 s时偏移量约18 m,在t=45 s时偏移约10 m；当侧面风速为5 m/s时,火焰与火羽流沿顺风方向的倾角减小到约为30°,在t=10 s时火焰根部沿顺风方向偏移约18 m,但在t=45 s时火焰根部却向逆风方向偏移15 m左右。

出现上述现象原因是侧风、舰岛及火羽流运动特性的综合影响。首先,火焰与火羽流在燃烧热和浮力的作用下,具有较强的向上运动趋势；同时,在左侧来风的影响下、火焰和火羽流有顺风运动趋势,因为舰岛位于油池右侧,火焰与火羽流在向右运动过程中必然还会受到舰岛的限制作用。这些因素的综合作用,就形成了图3和4所示的火焰和烟气运动特点。

图3 甲板上方烟气温度分布 (t=10 s)

图4 甲板上方烟气温度分布(t=45 s)

为进一步研究侧面风速对烟气压强影响,图5给出了t=45 s时航母舰艏艉垂直对称面内(y=0)烟气压强分布计算结果。从图可以看出,当无风和侧向风速为1 m/s时,甲板油池火灾对气流压强分布的影响不大；当风速为3 m/s和5 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,风速越大、正负压区的压差越大,但正压、负压区个数不随侧向风速大小发生变化。

图5 航母艏艉对称平面内甲板上方压强分布(t=45s)

3 实验分析与结果验证

3.1 风洞实验装置

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。实验装置由洞体、动力系统、测控系统等部分组成[11],见图6。洞体尺寸13 m×4.8 m,轴线高1.4 m,用4 mm厚钢质板材焊接而成,由实验段、喇叭口、扩散段、拐角导流片、等直段、动力段、第二扩散段、稳定段、收缩段等组成,支撑于34根立柱上。实验段尺寸Φ0.75 m×1.2 m,稳定段内设置蜂窝器和整流网以提高流场品质。动力部分由三相交流变频装置、Y180-L型三相异步电动机及螺旋桨组成。测控部分主要包括模型测力测压装置、PIV流场测量装置、α/β角度机构、工控机(A/D及测控软件)组成。测力装置由半弯刀模型支架、TP24A杆式六分力应变天平；测压装置由半弯刀双臂式测压模型支架、电子压力传感器组成。PIV流场测量装置[12]可直观显示流场流态并定量测量非定常流涡旋产生与发展。光源选用集成式双Nd:YAG 激光器,激光波长532 nm 绿光。同步器控制激光脉冲和图像捕捉次序。采用64位PowerView2M CCD 摄像机,采集模式Straddle(跨帧),速率4.5 Hz,图像处理软件Insight,显示软件Tecplot。

图6 风洞实验装置

3.2 实验原理

图7为实验原理图。粒子发生器在风洞稳定段中央产生示踪粒子,控制移测机构使粒子发生器在纵向和横向定位；顶部激光发生器产生高质量双脉冲激光,经片光形成器形成激光片光,控制片光移测机构使片光在流场上旋转或移动,以便观察不同剖面中涡流情况；用摄像机对流场纵向和展向剖面流态进行记录,经过计算机图像数据处理显示速度矢量场。虽然大缩比舰模实验的雷诺数小于实际值,但由于风速较低、物体尖锐边缘的气流分离点不随雷诺数变化,雷诺数差异对本实验结果的影响不大,可用于粗略验证计算结果。

3.3 实验步骤

(1) 安装耐火合金实验舰模和风洞实验段支架,采用庚烷燃烧液体代替飞机漏油在小油池中点燃,采用带固定铁板的防火壁纸模拟海面；

(2) 开启风洞,打开激光发生器和片光形成器,校准PIV系统；

(3) 在实验风速带范围内调节变频器,移动片光观测不同风速风向下舰模甲板火灾流场流态的变化过程。

图7 实验原理图

3.4 实验结果

图8为t=45 s时刻实验观测到的烟粒子速度矢量分布情况。观测时间为点火后15～50 s范围。在无风v=0 m/s情况下,火焰根部位于油池正上方,燃烧主过程基本稳定,火焰存在瞬间波动,火焰和烟羽有较强的向上运动趋势,烟气分布左右基本对称;当风速v=3 m/s时,火焰燃速增大,主火焰具有随气流涡动方向倾斜趋势,火焰根部顺气流方向后移并随涡飘摆,等效偏移量约10～12 m左右,火焰烟羽沿顺风方向倾角约为60°。当风速v=5 m/s时,火焰燃速有所减小,主火焰气流涡动增大增强,火焰根部等效偏移量约-10～15 m左右,火焰烟羽仍偏向顺风方向,倾角约为36°,实验与计算结果对比见表1,说明两者符合较好。

表1 实验与计算结果对比

图8 甲板上方垂直面内烟粒子速度分布(t=45s)

4 结论

(1) 风速对火焰位置和燃速有较大影响,航母甲板火灾释热率与风速大小成非单调变化关系。

(2) 在侧向风、舰岛和运动火羽流的综合作用下,在甲板上方形成正压和负压间隔交替的气流区域,侧向风速度越大,正压和负压区之间压差越大。

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