载人航天器密封舱内强制通风下的火灾温度场及流场特性仿真分析

谷运双，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

载人航天器内布置有各种电气设备，存在设备故障或人为误操作引起火灾的可能性，加之其空间狭小、救援困难和消防资源有限，使得火灾成为危及航天器和航天员安全的潜在风险之一[1-3]。航天器舱室属于微重力（10-3g～10-6g）水平下的密闭空间，需要强制通风。在这种微重力和强迫对流的特殊环境下发生火灾，舱内的流场及温度场特性与常重力环境下存在很大的差异。

国内外学者对载人航天器内的火灾流场分布、探测器布置和选择等进行了诸多研究。赵建贺等[4]采用FDS（FireDynamicsSimulator）软件对顶面45°斜送风、前锥面侧面送风及后锥面回风的情况进行研究，得到不同场景下的烟气温度、浓度分布规律；胡海兵等[1]利用FLUENT 软件考察微重力环境下强制通风舱室内火灾烟雾浓度分布情况；Urban 等[5]通过在未载人航天器上的实验研究微重力条件下发生火灾时火焰的蔓延情况；Wichman 等[6]研究微小火焰在微重力条件下的探测装置；Rygh[7]描述火灾行为和火灾抑制剂在微重力条件下的流体动力学实验，为研制载人航天器火灾探测与抑制系统提供依据。尹凯路等[8]针对45°送风条件下双火源在不同位置发生火灾时舱室内的流场进行分析。但迄今为止，研究人员对于不同送风角度下的微重力火灾比较研究鲜有报道。

本文拟根据程勇等[9]在常重力条件下研究的不同送风角度将显著影响室内空气速度和温度分布的研究结果，探索在微重力条件下不同送风角度对火灾流场分布的影响。以载人航天密封舱为研究对象，模拟微重力条件（10-5g），采用FDS软件[9]对舱内3种送风角度（θ=0°、θ=45°、θ=60°）下的火灾场景进行数值模拟，分析火灾流场内温度和烟气浓度的分布规律，以期为密封舱内送风口和火灾探测器的设置提供参考。

1 模型介绍

1.1 火灾动力学模拟程序（FDS）

FDS是比较成熟的计算流体仿真软件，在模拟火灾发展、烟气蔓延和消防灭火方面具有较高的准确性，在火灾科学领域得到广泛的应用，结果也得到了国内外学者的广泛验证[10]。FDS软件具有开放的程序体系结构，良好的后续处理能力，本文拟在FDS程序源代码基础上开展微重力条件下对火灾温度和烟气分布场的模拟研究。

1.2 结构模型和参数设置

本文选取某典型的密封舱[1]作为模拟舱，并对其进行修改和简化，简化后的模型如图1所示，尺寸为4m×2m×2 m。为保证计算结果的精度并合理节约计算时间，参照FDS用户使用手册[11]，将单个网格尺寸定为0.04m×0.02m×0.02 m，共计106个网格，计算时间设定为200s。密封舱内的12个送风口设置在舱顶，关于x向中心线呈对称布置，风口尺寸0.2 m×0.2m；回风口设置在舱底，与送风口位置对应，数量、尺寸同送风口一致。

航天器内氧气再生系统产生的高浓度氧气环境和大量使用的电气设备为火灾的发生提供了条件[12-15]。本文模拟计算设置火源为0.2 m×0.2 m，位于密封舱底面中心，火源功率为20 kW[4]。

1.3 送风角度设置

载人航天器内环境复杂，乘员舱作为航天员在空间生活和工作的主要场所，内部完全封闭[16]。为保证航天员生活的舒适性，规定舱内风速为0.2～0.8m/s[1,17]。本文设置了3种不同角度的送风口，与竖直侧壁的夹角θ分别为0°、45°、60°，用粒子示踪图显示初始时刻不同的送风角度，如图2所示。

图2 初始时刻不同送风角度粒子示踪图Fig.2Traceof particle at theinitial time for different ventilation angles

2 仿真分析

基于FDS软件平台，利用大涡模拟（LES）技术对各工况进行数值模拟。载人航天密封舱消防规范要求火灾探测器应在火灾发生后1～2 min 内报警，因此本文选取火灾发生后90s的温度和烟气浓度数据，分析3种送风角度情况下舱内温度和烟气浓度分布规律。

2.1 温度分布规律分析

图3是密封舱内3种送风角度下在90s时刻的温度分布云图。考虑火源中心在x=2.0m 处，而重点分析对象是火源附近的温度分布，故选取x=2.0 m 截面分析温度分布规律。

从图3可以看出：当送风角度θ=0°时，高温区域在火源上部分布范围较广，除了集中在火源两侧的高温区域，在火源上方0～1m 的范围内温度也较高；送风角度θ=45°、θ=60°时，高温区域集中在舱室的底部，在火源上方0.5m 以下横向分布。不同送风角度下温度分布不同的原因主要是由于舱室内速度流场分布不同，图4是3种送风角度下同一截面的速度矢量图，从图中可以看出：送风角度θ=0°时，气流直接向下运动，之后一部分从排风口排出，一部分接触舱底后又向上运动，在y=1m的两侧形成旋涡，因此高温区域集中在火源上部；送风角度θ=45°、θ=60°时，两股送风气流汇合后向下运动，接触舱底之后主要聚集在舱室底部，部分从两侧向上运动，因此高温区域集中在舱室底部，但θ=60°时的气流汇合位置比θ=45°时高。

图3 90 s时刻x=2.0m 截面的温度分布云图Fig.3 Temperaturedistributions on x=2.0 m crosssection after 90s

图4 x=2.0m 截面的速度矢量图Fig.4Speed vectorgaph on x=2.0 m crosssection

图5是在火源上方0.1m 处温度在横向长度方向上的分布，可以看到不同送风角度下温度在横向长度方向上呈M型分布。由于通风加剧了火源表面对流，所以火源边缘处温度最高，即在火源两侧形成2个温度峰值，火源正上方的温度反而较低，这说明应在大功率设备的两侧布置火灾探测器。图6是不同送风角度下火源两侧平均峰值温度的比较，当送风角度θ=45°时，所形成的M型曲线的平均峰值温度最高，达到772℃；送风角度θ=0°时，曲线的平均峰值温度居中，为596℃；当送风角度θ=60°时，曲线的平均峰值温度最低，为500℃。

图5 火源上方0.1m 处温度在横向长度方向上的分布Fig.5 Temperature distributionsat 0.1m above the fire sourcein the lateral length direction

图6 不同送风角度下火源两侧平均峰值温度Fig.6Averagepeak temperature on both sidesof the fire sourcefor different ventilation angles

图7是火源上方温度在纵向高度方向上的变化，从图中可以看出：送风角度θ=0°时，在整个纵向高度上温度值跳动较大而且高温峰值出现的频次较高；当送风角度θ=45°时，只在火源上方高度H=0.1m 处有一个温度峰值，在H=0.2m 之后随着高度H的增加，温度始终维持在50℃左右，因此需在火源上方0.1m 处布置感温探测器；当送风角度θ=60°时，在H=0.5m 之前温度波动较大，在H=0.6m 之后随着高度H的增加，温度始终维持在50℃左右。图8是温度峰值在纵向高度方向上出现的频次，当送风角度θ=0°、45°、60°时，温度峰值的次数分别为5、1、3，说明θ=0°时需要布置更多的火灾探测器，θ=45°时可以布置较少的火灾探测器。

图7 温度在纵向高度方向上的变化Fig.7Temperaturechanges in thelongitudinal height direction

图8 温度峰值在纵向高度方向上出现的频次Fig.8 The frequency of temperature peakin the long itudinal height direction

2.2 烟气密度分布规律分析

图9是不同送风角度下90s时刻烟气密度分布云图，和温度分布一样，选取x=2.0m 截面分析，发现烟气密度在0.5～6.5g/m3范围内。

图9 90 s时刻x=2.0m 截面烟气密度分布云图Fig.9Smokedensity distribution on x=2.0m crosssection after 90s

对比图9和图3可以发现，烟气密度的分布和温度分布相似，这是由于高温烟气流动时必然携带热量一起流动。由图9可见：送风角度θ=0°时烟气分布在顶棚和两侧，距离送风口较远，整个舱室内的烟气密度都偏高，说明此时不利于烟气排出；送风角度θ=45°、θ=60°时，烟气密度分布较为均匀，舱室底部和侧边的烟气密度较高，说明烟气主要分布在舱底和侧边。

图10是密封舱内平均烟气密度随时间的变化曲线。从图中可以看出：当送风角度θ=0°时，烟气密度上升速率较快，平均烟气密度始终高于其他2种送风角度下的烟气密度。舱室内平均烟气密度较高说明烟气排出困难，反之则说明烟气排出较快。

图10 密封舱内平均烟气密度随时间的变化Fig.10 Averagesmokedensityagainst thetimeinthesealed cabin

3 结论

本文通过对航天器密封舱内存在强制通风并发生火灾时，3种送风角度下温度场和烟气密度的数值模拟，得出以下结论：

1）送风角度θ=0°时，高温区域范围广，需要在大功率设备上方0～1m 处布置火灾探测器；送风角度θ=45°、θ=60°时，高温区域范围相对较小，需要在大功率设备上方0～0.5m 处布置火灾探测器。

2）火源上方温度在横向长度方向上呈M型分布，即在火源两侧形成2个温度峰值，故应在大功率设备附近的两侧布置火灾探测器；不同送风角度下温度在纵向高度方向上变化较大，θ=0°时需要在大功率设备上方布置更多的火灾探测器，θ=45°时可布置较少的火灾探测器。

3）烟气密度分布规律和温度分布规律相似。送风角度θ=0°时密封舱内平均烟气密度始保持正增长趋势，烟气密度较高且不易排出；送风角度θ=45°、θ=60°时密封舱内的平均烟气密度有停止增长趋势，此时密封舱内的烟气更容易排出。

本文研究结果可为航天器密封舱内送风口和火灾探测器的设置提供参考。