载人航天器密封舱内双火源火灾烟气蔓延数值分析

尹凯路，霍 岩

（哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院，哈尔滨 150001）

0 引言

载人航天器在轨飞行时，其密封舱内微重力水平约为10-4g～10-6g，气压约1个标准大气压，气体流速0.2～0.8 m/s，拥有高氧气体积分数（最高可达30%～40%）环境[1]，且存在大量的电气设备和非金属材料，电路过载、设备过热等是航天器火灾的主要隐患[2]。同时，密封舱内空间狭小，可利用的灭火资源非常有限，造成灭火和营救等工作十分困难，因此密封舱的火灾安全值得特别关注。

对于微重力条件下的燃烧，姜羲等人[3]研究了微重力条件下单滴燃烧和固体可燃物表面火焰的传播过程，指出其主要物理机制是汽化表面的“表面燃料喷射”效应。马里兰大学在空间站微重力环境下开展了“火焰设计”试验，试图进一步认识燃烧的主要产物——烟气，并研究如何在燃烧过程中有效控制燃烧产物[4]。赵建贺等[5]利用FDS软件研究了微重力环境下细水雾灭火的机理。

在微重力环境下，自然对流减小，火灾烟雾早期特性和运动规律与常重力下有较大差别[6]，按照常重力下的方式安装布置火灾探测器，必然导致高误报率和漏报率[7]。因此必须对微重力下密闭空间内火灾的发生、发展以及温度和烟雾的分布规律有所了解，这就需要对微重力环境下火场相关参数进行长时间的监测。但是目前常用的落塔、落井及抛物线飞行的飞机最多只能模拟几十秒的微重力环境[8]，难以进行火灾流场试验。因此利用数值模拟方法可以高效、经济地完成微重力环境下火场各参数变化规律的探究。胡海兵等[9]和赵建贺等[10]曾分别对国际空间站舱室内微重力下单一火源火灾进行了数值模拟。然而实际由电缆引起的火灾中可能因为火势过大，使另一位置处的电缆也发生燃烧[11]，或者由于火源燃烧产生的熔融滴落物引起新的着火点，且着火点位置的不同也会影响火灾的蔓延方式。因此，有必要研究由双火源引发的火灾特性。

基于火灾燃烧试验的破坏性和火灾数值模拟软件FDS在微重力领域研究的有效应用[12-15]，本文采用FDS软件对双火源引起的火灾进行数值模拟，得到不同场景下的烟气浓度的分布及蔓延规律，可为微重力环境下火灾特性研究和探测器的安装布置提供参考。

1 微重力环境下火灾流场模拟

1.1 FDS 软件介绍

FDS（Fire Dynamics Simulator）是美国国家标准研究所建筑火灾研究实验室开发的模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件[16]。NASA曾采用FDS软件对微重力条件下的燃烧进行了多工况研究，验证了该软件应用的可靠性与有效性[17]。

1.2 边界条件

选取国际空间站舱室[9]作为研究对象，重力条件设置为10-5g。根据人活动区域通风回路设计，建立舱室简化分析模型，如图1所示。舱室尺寸为4 m×1.6 m×1.9 m，计算网格为 0.02 m×0.02 m×0.02 m 的立方体，共计 1 520 000 个。

图1 空间站密封舱室简化模型Fig.1 Simplified model of the sealed cabin in a space station

送风口为6个45°斜向舱内的正方形，尺寸为0.4 m×0.4 m，在舱室顶面对称布置。送风风速为0.3 m/s，总风量为 0.228 m3/s。回风口对称分布在舱室底面，尺寸为 0.4 m×0.4 m。

航天器仪器过载易引起电缆及保温材料失火[18]，根据火灾荷载分析[19]，设定火源尺寸为 0.2 m×0.2 m，热释放率为 80 kW，计算时间为 130 s。

1.3 场景设计

本文选取3个典型火源位置进行模拟，将中心相距为1 m的2个火源分别置于舱室的底面、侧面和顶面，在强制通风条件下进行数值模拟，场景设计如表1所示。

表1 火源场景设计Table 1 Scene design of the fire sources

2 结果与分析

2.1 烟气浓度分布

空间站舱室内探测器需要保证在火灾初起的1～2 min 内报警[9]，因此选取模拟火灾发生 90 s时的烟气情况作为分析对象。为观察火场相对稳定时的烟气浓度分布，图2对比了在强制通风条件下，3 个场景分别选取截面y=0 m、x=0.1 m、y=0 m 的流场内烟气浓度分布。

图2 不同场景的烟气浓度分布Fig.2 Smoke concentration distribution under different conditions

由图2(a)中可以看出，双火源位于底面时，烟气主要分布在距底面0.2 m高度以内，2个火源只是在各自区域内独立燃烧未相互影响。这是因为在x=-1 m、x=0 m 和x=1 m 这 3 个位置对称分布着回风口，在几乎没有自然对流的微重力环境下，双火源附近的烟气随着气流进入回风口。由图2(b)可以看出，侧壁上的双火源受到通风气流的影响，烟气既向着斜下方远离送风口，又在流场回旋气流的作用下向着送风口运动，加速了烟气在竖直方向的蔓延。图3为场景B下90 s时x=0.1 m截面的舱室内烟气蔓延速度矢量图。与图2(a)、(c)的情况相比，侧壁着火的烟气蔓延更为迅速，应予以重点防范。由图2(c)可以看出，双火源位于顶面时，中间的出风口的气流几乎阻断了2个火源之间的烟气流动，而且将烟气吹向舱室内部，加速了舱室内烟气的蔓延。

图3 舱室气流速度矢量图Fig.3 Vector chart of airflow velocity in the cabin

微重力环境下，由于缺乏自然对流，舱室内气流组织对烟气浓度分布的影响十分巨大，探测器不能与常重力时一样布置在舱顶[20]。由图2可知，本文设计的3种场景下最大烟气浓度均主要出现在双火源附近，且烟气会随着通风气流向回风口运动，因此在回风口处的浓度也相对较大。

图4 给出了 90 s时，3 种不同场景下，A1、a1、B1、b1这4个回风口位置处（具体位置见图1）的烟气浓度在舱室内不同高度的变化情况。

图4 烟气浓度折线图Fig.4 Line chart of smoke concentration

由图4(a)、(b)可知，虽然同一时刻不同位置上烟气浓度数值差异较大，但变化趋势相似，即在高度1 m以上，烟气浓度变化平稳，无较大起伏，且双火源位于顶面、侧面、底面时，烟气浓度依次下降。高度为0.9 m、双火源位于顶面时，烟气浓度最大，A1和a1位置上的最大值分别为0.63 g/m3和0.28 g/m3。这是因为双火源在底面时距离回风口近，部分烟气随着气流排出；双火源位于侧面时，由于回旋气流的作用烟气向上运动；而双火源位于顶部时，烟气有较长时间蔓延。因此建议在大热耗仪器附近及烟气浓度相对较大的回风口A1、a1位置附近，高度约0.5～0.7 m处舱壁内侧安放火灾探测器。

而图4(c)、(d)中的情况正好相反。在高度1 m以上，双火源在底面时的烟气浓度最大，在侧面时次之，在顶面时最低。且A1、a1位置的烟气浓度折线图变化趋势为“凸”型，B1、b1位置的为“凹”型。这可能是受舱室内气流组织（参见图5）的影响。由图5可以看出，在x=0.5～1.5 m，y=0.5～1.5 m 范围内有1个旋涡，双火源位于底面和侧面时，部分烟气没有进入回风口，而随着这个旋涡在该区域内聚积；而双火源位于顶面时，大部分烟气随着气流在x=-0.5～0.5 m的范围内运动。因此，A1、a1与B1、b1位置测点处的烟气浓度变化规律差异较大，建议在烟气浓度较大的回风口B1、b1位置附近，高度约1.3～1.5 m处舱壁内侧安放火灾探测器。

图5 舱室气流组织Fig.5 Organization of the airflow in the cabin

2.2 烟气的发展蔓延

为探究双火源在不同位置时烟气在报警时间内的发展蔓延情况，绘制火灾发生60～120 s时间段舱室内的平均烟气浓度随时间变化折线图，如图6所示。

图6 平均烟气浓度折线图Fig.6 Broken line graph of average flue gas concentration

由图6可知，3种场景下平均烟气浓度均随时间呈总体上升趋势，双火源在侧面和顶面时的烟气浓度变化相似，但双火源在底面时烟气浓度起伏较大。这是因为双火源距离回风口较近时，部分烟气随气流进入回风口，且气流可能随时间周期性变化，故烟气浓度起伏变化；而双火源距离回风口较远时，舱室空间刚好成为缓冲区域，减少了这种起伏。

根据图6数据，当双火源位于侧面和顶面时，可用多项式函数进行数据拟合：

1）当双火源位于侧面时，

2）当双火源位于顶面时，

式 (1)、(2)中：y为平均烟气浓度，kg/m3；t为时间，s。式(1)和(2)的R2均大于0.95，说明拟合效果较好。所以从舱室起火到报警器报警的时间内，计算得到的结果能较好的反应出模拟结果。

3 结论与建议

本文通过数值模拟探究了载人航天器密封舱室在45°通风条件下不同双火源位置的火灾烟气浓度分布及蔓延规律，主要结论如下：

1）双火源位置对舱室内烟气浓度分布影响明显，双火源在侧面时，由于回旋气流的影响加速了烟气在竖直方向的蔓延，应予以重点防范。

2）建议在大热耗仪器及回风口A1、a1位置附近，高度约0.5～0.7 m处，以及回风口B1、b1位置附近，高度约1.3～1.5 m处分别安放火灾探测器。

3）拟合得到舱室内通风条件下双火源位于侧面与顶面时平均烟气浓度随时间变化的计算公式，计算结果可以较准确地反映出实际的烟气浓度变化情况。

本文主要对不同位置的双火源进行模拟，研究其烟气浓度的分布。对于微重力条件下，双火源燃烧的研究还有很多工作要做：

1）对于微重力环境下双火源燃烧的相互作用还需要深入研究。火源间的辐射传热、空气竞争都会对火焰燃烧速率、火焰形状及烟气浓度分布造成影响。

2）研究局部受限情况下的双火源燃烧特性。局部受限可能会导致火源沿着某一方向蔓延，火焰形状及辐射传热受到影响，进而影响舱室内的烟气浓度。