开口舱室内细水雾与油池火相互作用的数值模拟

赵 博， 刘伯运， 任广鲁

(海军工程大学 动力工程学院， 湖北 武汉 430000)

0 引 言

随着中国海军的战略转型，舰艇部队的训练演习任务不断增多，这使得舰船发生火灾等灾害的可能性大大增加。舰船舱室人员和装备密集，一旦发生火灾不能及时扑灭将造成巨大的经济损失和人员伤亡。传统的“哈伦”灭火剂虽然灭火效能较好，但是由于其对臭氧层的严重破坏，已经被很多国家明令禁止。细水雾灭火系统具有用水量小、对火灾响应速度快、对保护对象水渍损害小等特点，在舰船舱室火灾扑灭中具有良好的应用前景。

为提高细水雾的灭火效能，研究人员做了大量的相关研究。姚斌等[1]对细水雾抑制火灾的过程和机理进行试验研究和数值模拟，研究发现细水雾通过汽化吸热冷却燃料及氧化剂、体积膨胀隔绝氧气、吸收热辐射降低对燃料的热回馈等效应，达到控制和熄灭火灾的目的。杨建[2]在有遮挡物和无遮挡物条件下，采用火灾动力模拟软件(Fire Dynamics Simulation， FDS)对细水雾与油池火的相互作用过程进行模拟，发现操作压力越大，灭火效果越好，当操作压力超过临界值时压力对灭火效果的影响不大，灭火效果几乎相同。张培红等[3]在隧道模型中进行柴油油池火灭火试验，分析通风风速、工作压力、排烟模式等因素对细水雾灭火的影响。研究发现：细水雾+顶部排烟耦合系统的灭火效能最好，增加细水雾的压力对灭火初期的火焰强化燃烧现象具有较好的抑制作用。为研究脉冲细水雾灭火效果和灭火机理，李晓康等[4]采用FDS软件对连续和脉冲细水雾熄灭受限空间内油池火的过程进行数值模拟，研究发现：细水雾对不同尺寸的油池火均能达到较好的灭火效果，灭火效率较高，火焰熄灭均发生在喷头暂停喷水期间，细水雾蒸发隔绝氧气致使火焰窒息是其灭火的主要机理。

但是着火舱室并不是封闭空间，往往会存在门窗等开口，这会导致在细水雾灭火过程中仍有大量新鲜空气涌入，这会对细水雾的灭火效能造成巨大的影响，相关研究并不多见，所以其灭火机理值得进一步研究。鉴于搭建试验平台将耗费大量人力和经费，且受测量条件的制约，本文利用FDS 进行数值模拟，研究开口舱室内细水雾与油池火的相互作用。

1 数值模拟模型建立

1.1 模拟软件介绍

FDS是由美国国家标准局建筑火灾研究实验室开发的基于场模拟的火灾模拟软件,在火灾安全等工程领域中应用十分广泛。FDS是一个由计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)分析程序开发的专门用于研究火灾烟气传播的模型,可以模拟三维空间内空气的温度、速度和烟气的流动情况等[5]。

在实际火灾中，烟气浓度、温度、速度等各种火灾参数均随时间和空间坐标的不同而发生改变，要想准确描述火灾的发生发展过程，就必须掌握各个火灾参数在时空坐标的变化规律，从而为控制火灾的发展提供理论依据。这些参数主要由质量方程、动量方程、能量方程和一些辅助性方程体现。

质量守恒方程为

组分守恒方程为

动量守恒方程为

能量守恒方程为

理想气体方程为

(5)

1.2 数值模拟模型设置

数值模拟在如图1所示的房间中进行，舱室的长和宽均为4.0 m，高为2.4 m，地板、墙壁和顶棚材料均为钢材。舱室的一侧设有尺寸为2.0 m×0.9 m的舱门，其对面墙壁设有1.0 m×1.2 m的窗户。火源为正庚烷燃料，油池位于舱室中间，高于地面0.3 m，油池大小为0.8 m×0.8 m，热释放速率为500 kW/m2，正庚烷的自燃点为204 ℃，所以若火焰温度低于此温度时人为火焰已经熄灭。油池上方1 cm、50 cm、100 cm、150 cm、200 cm处布置5个热电偶，测量对应点处的火焰温度。油池上方20 cm、70 cm、120 cm、170 cm处布置4个氧气浓度记录点，记录对应点处的氧气浓度。在顶棚下方0.05 m处布置细水雾喷头。

图1 数值模拟模型

在软件中,只能使用矩形网格,因此只需考虑网格的大小而不需考虑网格的形状。在理论上,网格越小,数值模拟的精度越高,但考虑到当前普通计算机的计算能力和计算代价,需要选择合理的网格尺寸,获得可以接受的计算精度和计算时间。此次数值模拟整体空间网格尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m，为保证计算精度，对火源附近空间划分较密的网格，尺寸为0.05 m×0.05 m×0.05 m。

2 实验结果与分析

2.1 开口流入气流对灭火效果的影响

数值模拟采用的细水雾系统参数如表1所示，其中K因子为流量系数，由细水雾喷头的工艺特性确定。图2为开口流入气流速度为0 m/s时，细水雾开启前后火场温度切片。分析图片可以看出：火灾发生后火场温度迅速升高，火焰基本竖直向上。热烟气受浮力作用，在顶棚下不断积累，烟气层逐渐下降，当油池火释放的热量与舱室损失的热量相平衡时，烟气层厚度基本维持不变。房间内气体分为明显的上下两层，上层为热烟气，下层为冷空气。细水雾开启后，细水雾汽化吸收大量的热量，使得火场温度迅速下降，火焰高度下降。向下运动的水蒸气具有较大的动能，使得热烟气和冷空气稳定的分层被打破，同时冲击火焰，增加了火焰区的湍流度，火焰周围出现正庚烷蒸气燃烧团。

表1 细水雾系统参数

图2 开口流入气流速度为0 m/s，细水雾开启前后火场温度切片

图3为流入气流速度为2 m/s时，细水雾开启前后火场温度切片。与图2对比可以看出：开口流入气流对火焰影响很大，在流入气流的影响下，火焰向下风区偏移，温度场随之发生改变。环境风使油池上方温度变低，而下风区温度升高。在实际火灾发生时，流入气流有可能会将燃料吹向下风区，从而造成火灾的蔓延。在流入气流的影响下，热烟气的温度也有所下降，热烟气与冷空气的分层不稳定。细水雾开启后火场温度迅速降低，火焰区湍流度增加明显，火焰周围出现较多正庚烷蒸气燃烧团。

图3 开口流入气流速度为2 m/s,细水雾开启前后火场温度切片

图4为开口流入气流速度分别为0 m/s和2 m/s时，油池正上方不同高度处正庚烷火焰温度随时间变化的曲线，分析图4曲线发现：细水雾冷却火焰的过程可分为3个阶段，分别为火焰温度迅速下降阶段、火焰温度相对稳定阶段和火焰温度缓慢下降阶段。

火焰温度快速下降阶段是由于细水雾开启后，细水雾与火焰温差非常大，其汽化会吸收大量的热量，同时生成的大量水蒸气隔绝了氧气，火焰周围氧气含量降低，致使火焰温度迅速下降；随着细水雾释放量增加，细水雾汽化吸收的热量基本与火焰释放的热量处于动态平衡状态，并且舱室其他空间内的氧气补充到油池周围，故火焰温度相对稳定，通过观察可以发现这个阶段时间非常短暂；随着细水雾释放量进一步增加，雾滴与火焰温差逐渐缩小，同时舱室内的氧气消耗殆尽，所以温度下降缓慢至熄灭。

图4 油池上方不同高度处温度曲线

为进一步分析火焰熄灭的原理，绘制流入气流速度分别为0 m/s和2 m/s时火焰上方不同高度处氧气浓度随时间的变化曲线，如图5所示，图中纵坐标为舱室内氧气与所含气体的体积比，即物质的量比。当流入气流速度为0 m/s时，火焰上方的氧气含量随着燃烧的消耗其含量不断降低至较低水平；当流入气流速度为2 m/s时，由于有开口气流流入，导致火焰上方氧气含量始终维持在较高水平。对比分析可知：当开口流入气流速度为0 m/s时，火焰熄灭是由冷却吸热和隔氧窒息共同作用的结果；当入口流入气流速度为2 m/s时，由于氧气含量始终维持在较高水平，故冷却吸热是致使火焰熄灭的主要原因。

图5 油池上方不同高度处氧气浓度曲线

2.2 细水雾粒径对灭火效果的影响

数值模拟采用的喷头的主要参数如表2所示，其中K因子仍为流量系数。图6a)为入口气流速度为0 m/s时不同粒径细水雾作用下油池上方火焰温度随时间变化的曲线。分析曲线可以发现：数值模拟的4种粒径的细水雾均可以有效灭火，其中粒径为50 μm时灭火效果最好，大约需要40 s可以将火焰熄灭，比其他粒径的细水雾节约时间25～30 s。这主要是因为较小粒径的细水雾更容易汽化，吸收大量热量，降低火焰温度，同时汽化的水蒸气可以有效隔绝氧气，达到迅速熄灭火焰的目的。图6b)为入口气流速度为2 m/s时不同粒径细水雾作用下油池上方火焰温度随时间变化的曲线。与图6a)对比可以发现：当入口气流速度为2 m/s时，细水雾开启后会发生火焰温度先降低后强化现象，这是由于在流入气流的作用下，细水雾的湍流作用得到加强，强化了正庚烷蒸气与空气的结合，对火焰具有助燃作用。观察发现：粒径为300 μm时灭火效果最好，大约需要50 s，比其他粒径的细水雾节约时间20～40 s。这主要是因为当雾滴直径较小时，大量的雾滴会随着气流从开口飘散，导致舱室内液滴含量降低；其次有气流的流入，致使火焰跳动明显，火羽流的动能增大，较小的雾滴不能有效地穿透火羽流，对火焰区和油池表面进行冷却，故而较小的雾滴灭火效果较差。

表2 不同中位直径的细水雾系统参数

图6 不同细水雾粒径作用下油池表面温度曲线

3 结 论

通过对开口舱室内细水雾与油池火相互作用的数值模拟，可以得到以下结论：

(1) 细水雾熄灭油池火的过程可以分为3个阶段：温度快速下降阶段、温度相对稳定阶段和温度缓慢下降阶段。

(2) 当开口无气流流入时，火焰熄灭是由冷却吸热和隔氧窒息共同作用的结果；而入口流入气流速度为2 m/s时，由于氧气含量始终维持较高水平，故冷却吸热是致使火焰熄灭的主要原因。

(3) 当开口无气流流入时，50 μm等较小粒径细水雾具有较好的灭火效果；当开口流入气流速度为2 m/s时，200～300 μm等较大粒径细水雾具有较好的灭火效果。