万吨级客船汽车甲板车辆火灾烟气参数的模拟分析

■李 显 陈晓晓 王 欢 段思怡

（上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306）

0 引言

随着经济的飞速发展和改革开放的不断深入，船舶作为主要的水上运输工具，使国家间、地区间的贸易交流与往来得到了繁荣发展。然而，船舶发生各种海事事故（如火灾、倾覆、碰撞等）的概率和危险性也在逐渐增加。其中，船舶火灾是船舶海难事故中直接损失较为严重的海事之一，一旦发生船舶火灾，通常为“整船全毁”的灾难性损失，而且不仅是巨大的财产损失，更多可能会导致的是大量人员的死伤。

在当前民用船舶中，客滚船最为常用，因此，客滚船的火灾事故也频频出现在公众视野中。客滚船汽车甲板可以说是客滚船上安全隐患较为集中且风险性较大的位置之一，汽车中存在的大量汽油则是火灾风险的重中之重。而当许多的汽车同时停放在一定的区域内，火灾风险度随之猛增。汽车甲板中的车辆会因固定不佳或是外力撞击等因素，发生车辆与车辆间的碰撞与摩擦，一旦有火星引燃车辆内的汽油，紧跟其后的将是火灾甚至是爆炸。因此，对客滚船汽车甲板车辆的火灾特征进行研究显得尤其必要。

关于滚装船的安全性能，国外学者大多将目光集中在公约、规范与准则的制定上，客滚船汽车甲板上车辆的安全固定是研究重点。在客滚船火灾方面，国内较多着眼于进行火灾的安全评价以及灭火对策等工作，比如客滚船的火灾安全评价研究，是根据FSA方法为基本构架，以“人—机—环—管”理论为基础构建了滚装船火灾安全评价体系，运用鱼刺图法分析客滚船火灾的原因，应用故障树分析方法对客滚船火灾发展过程进行分析，采用模糊数学建立综合评价模型，通过实船调研获得相关数据，对客滚船火灾进行安全评估。

烟台港公安局消防支队在几起客滚船的火灾中发现，其中最为重大的事故原因是由车辆及车载重件货的移位、相互碰撞、挤压及倾覆导致油箱破裂而引发的火灾。当汽车甲板发生火灾时，由于车辆摆放较密集，货物集中，包装、捆扎较紧，加上汽车甲板相对密闭（尤其底层），通风孔洞少，空气流通速率较为缓慢，烟雾较大，容易造成燃烧猛烈的假象，此时应为灭火的最佳时机。因此，对客滚船汽车甲板车辆火灾的场景特性规律进行详细描述，对于灭火救援具有重要意义。

火灾的孕育、发生和发展是一种复杂多变的动力学过程，其发展和蔓延受到可燃物、构筑物、外界环境等诸多方面因素的相互作用和综合影响。就火灾燃烧机理而言，通常用游离基的链锁反应理论来解释。一起火灾的发生，就一定具备了火灾三要素：可燃物、氧化剂和引火源。舱室火灾过程可按照时间顺序分为5个阶段：起火阶段、增长阶段、轰燃阶段、充分发展阶段、衰退阶段。

计算机火灾模拟技术是在描述火灾过程各种数学模型的基础之上进行的，分析研究火灾的发生、发展情况，烟气蔓延规律，以及周围环境温度的变化。本文采用火灾动力学模拟软件FDS来模拟汽车甲板车辆火灾的典型场景，以某万吨级客滚船设计结构为模型基础，通过对万吨级客滚船汽车甲板火灾场景的一些合理性简化与假设，构造描述典型火灾场景和过程的物理模型，基于FDS分析万吨级客滚船汽车车辆火灾的烟气流动及蔓延规律，对客滚轮汽车甲板火灾危险性进行定性、定量的评估，并重点探讨在通风情况下火灾能见度、温度场和CO浓度场的变化等烟气蔓延规律。

1 客滚船汽车甲板模型的确定

以1.6万t级“普陀岛”轮为例，设定汽车甲板模型。其主要参数情况如下：总长137.3 m，两柱间长127.5 m，型宽23.4 m，型深8.6 m，设计吃水5.4 m，结构吃水5.8 m，载重量（结构吃水）3 996 t，载客量640 P（国际短途）1 500 P[1 428名乘客＋72名船员（国内航行）]，车道长度835 m（宽3.1 m）或1 178 m（宽2.25 m），装拖车84辆或轿车232辆，航速约为20 kn，续航力为2 500 n mile，主动功率为2×5 800 kW×600 r/min。客滚船汽车甲板模型具体布局如图1所示。车辆装在第一和第三甲板，两层甲板不连续，第三甲板艏部有升降平台，中部右舷有斜坡车道。全船车道长度及载重量分布见表1。

表1 全船车道长度及载重量分布

2 客滚船汽车甲板火灾模拟模型建立

根据1.6万t级“普陀岛”轮的实际舱室数据进行简化，设定客滚船汽车甲板长120.0 m，宽24.0 m，高4.8 m。由于甲板的厚度为13.5 mm，远远小于网格的单位数据（0.4 m×0.4 m×0.4 m），因此可将甲板厚度忽略。甲板的材质为钢材，可在网格即甲板设置为钢材。汽车甲板内分布着146辆汽车，符合规范的要求。车道宽设置为3.0 m。车辆左右间距为0.3 m，前后间距为1.8 m。汽车甲板模型的4个楼梯口均位于汽车甲板的上甲板，左右对称，其长为4.0 m，宽为2.2 m。

以保守最不利原则为火灾场景设计原则，设定在客滚船汽车甲板居中位置设置3个火源（见图2），中间位置的车辆首先起火，并引燃左右两侧的车辆，从而分析产生烟气在汽车甲板的蔓延状态、温度场变化及能见度分布，即中间车辆为初火源，另外两个为延迟火源，延迟120 s后起火，见图3，可知火源热释放速率分为2个增长阶段，第一阶段在50 s时增长至3 MW，第二阶段即起始于120 s的延迟点火，最终火源总热释放速率为9 MW（三辆轿车）。采用t2火源模型进行分析，客滚船汽车甲板车辆火灾类型属于超快速火，对应火灾增长系数为0.187 6 kW/s2，设置模拟火灾时间为300 s。FDS中设置网格局部加密，火源位置的中间网格为0.4 m×0.4 m×0.4 m，左右两侧为0.8 m×0.8 m×0.8 m，得到总网格数为90 000，正中间网格数为72 000，左右两侧网格数分都为9 000。通风设置为自然通风，无机械通风设施。数据监测设置为高度z=1.6 m的水平切面与汽车甲板通向上层空间的8个楼梯间的监测（测点1～测点8），分别监测温度和CO浓度数据。

图2 车辆位置分布图和火源位置

图3 火源热释放速率

3 结果分析

3.1 温度分析

汽车甲板高度为1.6 m的平面上的温度场分布见表2。可知延迟点火使50 s时为单火源，150 s和300 s为三火源。平面各点温度随火灾的持续而不断升高，但除火源上方和火源附近温度高外，其余区域温度均未出现显著增加。

图4为8个测点的温度数据随时间的变化。可以看出，各测点温度值随火灾持续时间的延长而增加。距离火源较远的1、2和5、6测点温度较低，距离火源较近的3、4和7、8测点温度较高，但3、4和7、8测点的温度均为超过80℃。

表2 1.6 m高度平面上的温度分布

图4 测点温度

3.2 CO浓度分析

本文在1.6 m的高度，设置CO浓度监测面。由图可知，100 s时仅初始火源燃烧， CO浓度较低，基本除火源中心外，周围环境中均可忽略不计。300 s时，明显周围环境的CO浓度发生急剧地变化，有很明确的升高迹象，达到100 mg/kg。450 s时，最大CO浓度可达200 mg/kg，周围环境平均值也可达到150 mg/kg左右。600 s时，整个汽车甲板的CO浓度都达到了200 mg/kg值左右。

汽车甲板高度为1.6 m的平面上的CO浓度场分布见表3。平面各点的CO浓度随火灾的持续而不断升高。图5为8个测点的CO浓度数据随时间的变化。可以看出各测点CO浓度值随火灾持续时间的延长而增加。距离火源较远的1、2和5、6测点CO浓度较低，距离火源较近的3、4和7、8测点CO浓度较高。最大CO浓度出现在测点4和测点8，浓度达到15 mg/kg左右，低于100 mg/kg（人体会产生头晕、乏力等不适感）的临界值。

本文在4个楼梯口均设置了CO浓度监测器。根据监测得到的数据，生成了图表，更为直观地显示结果。

表3 1.6 m高度平面上的CO浓度分布

图5 测点CO浓度

首先分析模型左侧两个楼梯口的CO浓度与时间关系图，可以从图中很清晰地看出，两个楼梯间的CO浓度曲线是呈现前500 s左右走势大致相同，后100 s的波动开始出现不一致的状态。但是，可以说整体上左侧两个楼梯口的CO浓度变化大体呈一致的状态。单单分析CO浓度与时间的关系，大致为500 s前CO浓度为缓慢攀升的过程，500 s后CO浓度变化两个楼梯口产生分歧，靠上部的楼梯间CO浓度升高，而下部楼梯口出现骤降状态。但两者都在最后100 s内CO浓度波动大。

再分析模型右侧两个楼梯口的CO浓度与时间关系图，可以从图中很清晰地看出，两个楼梯间的温度曲线是呈现处600 s内走势大致相同的状态，整体上两者CO浓度变化大体呈一致。单分析CO浓度与时间的关系，大致为520 s前缓慢攀升，520 s后骤降并波动。

3.3 汽车甲板烟气分析

图6为300 s是汽车甲板烟气的场景特性，可以看出汽车火灾发生后5 min产生浓烟现象，明显降低了能见度，并通过楼梯间向上层空间蔓延，为火灾的扑救带来一定的困难。

图6 300 s时汽车甲板烟气场景

4 结论

本文采用火灾动力学模拟软件FDS构建了万吨级客滚船汽车甲板车辆火灾的典型场景，对客滚船汽车甲板火灾发生后300 s内的烟气场景特性进行了定量计算，并重点探讨在通风情况下火灾的温度场和CO浓度场的特征。主要得出了以下结论：

1）由于通风的作用，除火源附近外，汽车甲板包括上层楼梯通道的大部分区域温度和CO浓度随火灾的发展而增加，但上升不显著；

2）火灾发生后烟气发生明显，使能见度下降，影响火灾的扑救。客滚船汽车甲板车辆火灾发生后，烟气使能见度下降作用明显，会造成火灾事故规模扩大的假象。事实上汽车甲板车辆火灾发生后的300 s内烟气温度和CO浓度并没有显著上升，可迅速进行火灾扑救。