客船客舱火灾及人员疏散仿真研究

陈 斌，商 蕾，孙 俊

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

1 客船客舱火灾模拟

随着全球客船旅游行业的快速发展，世界范围内的客船旅客量逐年增加[1]，客船海难事故对人们的生命、财产带来了严重的威胁。经调查发现，客船火灾在海难事故中占据比例较高[2]，而且由于客船体量庞大、载客量多、可燃物多，一旦发生火灾，极易造成人员伤亡[3]。

1)PyroSim模型建立。本文选取某客船为模拟对象，该客船总吨位为4 924 t，长度135.20 m，宽度19.60 m。客区甲板层共有5层，分别为上甲板L1、游步甲板L2、驾驶甲板L3、娱乐甲板L4以及阳光甲板L5。船尾、大堂中庭和船首各设有一套扶梯，分别命名为Ⅰ号、Ⅱ号和Ⅲ号扶梯，L4中部设有集合站和救生艇。真实的客船客舱布局、结构比较复杂，可根据布局情况进行合理简化，利用火灾模拟软件PyroSim对其进行建模。PyroSim中所有的计算都必须根据网格计算。采用PyroSim对客船客舱进行火灾数值模拟时，需要对客舱模型进行网格划分以确定计算区域及区域网格精度[4]。考虑模拟计算运行时间和计算精度的影响，采用均匀网格划分法，设置每个单元网格的尺寸为500×500×500，将整个客舱模型划分为4块计算区域，共计974 848个单元网格。

2)观测点设定。在火灾的发展过程中，温度、能见度和烟气的浓度会随时间发生变化，同时也会影响人员安全疏散的效率。为了考察客船客舱火灾发生后，火灾蔓延和烟气扩散对人员疏散的影响，需要在PyroSim建模时设置一系列探测设备监测客舱内火场烟气情况，测量烟气温度、能见度和CO体积分数，以获得实时的仿真数据。因此设定L4层的3个观测点A、B、C分别位于Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号扶梯口处，距离地面2.0 m。

3)安全疏散判定标准。为保证客船客舱发生火灾时舱内乘客能够安全疏散，对火场中的烟气温度、能见度和CO体积分数，本文采用以下定量标准判断人员可用安全疏散时间(ASET)[5]：客船客舱距离地面2.0 m时，烟气温度不大于60℃，能见度不小于10 m，CO体积分数不大于400 cm3/m3。

4)火灾场景设置。结合客船客舱的内部结构和防火特性，依据最不利原则和概率最大原则，设定了4个典型的火灾场景。火灾场景1的起火位置位于L1的主餐厅，火灾场景2的起火位置位于L2的某一间客房，火灾场景3的起火位置位于L3的商务房区域，火灾场景4的起火位置位于L4的棋牌室。

客船客舱火灾初期和发展阶段，火源中可燃物燃烧剧烈，热释放率增大，符合时间增长火源类型火灾[6]。ISO/TS 16733《火灾安全工程第四部分：设定火灾场景和设定火灾的选择》中，根据火灾增长系数α的值，将火灾类型分为4种，结合起火位置可燃物的特性，各火灾场景热释放速率如表1所示。

表1 各火灾场景热释放速率

2 火灾模拟结果与分析

2.1 观测点A

分析处理4组火灾场景下观测点A处2.0 m高度处，其能见度、温度、CO体积分数的数据，观测点A处各指标变化趋势如图1所示。由图1可知，火灾场景1中火源位于L1层主餐厅，距离观测点A较远，能见度在283 s开始低于10 m，温度未达到60 ℃临界值，CO体积分数也未达到400 cm3/m3。火灾场景2中能见度大约在332 s时低于10 m，由于距离较远，温度和CO体积分数未发生明显变化。火灾场景3中在243 s的时候观测点A的能见度低于临界值，由于该处自然排烟效果较好，温度基本保持在23 ℃左右，CO体积分数基本保持在240 cm3/m3，均未超过安全指标临界值。火灾场景4中约在168 s时能见度低于10 m，658 s时温度达到临界值60 ℃，160 s时CO体积分数高于人体承受的极限值。

图1 观测点A处各指标变化趋势

观测点A处各指标危险临界时间见表2。TvisiA为观测点A处能见度表征的危险临界时间，TtempA为观测点A处温度表征的危险临界时间，TCOA为观测点A处CO体积分数表征的危险临界时间。

表2 观测点A处各指标危险临界时间 s

2.2 观测点B

处理方法如2.1小节，观测点B处各指标变化趋势见图2。火灾场景1中，大约在221 s能见度低于10 m，由于相距较远，观测点B在1 339 s温度达到60 ℃，大于1 000 s可不用考虑，CO体积分数也未达到临界值。火灾场景2中，能见度大约在243 s低于10 m，温度和CO体积分数均未达到危险临界值。火灾场景3中，能见度在164 s开始低于10 m，温度未达到60 ℃，CO体积分数增加也不多，未超过临界值。火灾场景4中，能见度76 s就达到临界值，温度在149 s达到危险临界值，CO体积分数在205 s达到危险临界值。

图2 观测点B处各指标变化趋势

观测点B处各指标危险临界时间见表3。

表3 观测点B处各指标危险临界时间 s

2.3 观测点C

分析处理方法如2.1，观测点C处各指标变化趋势如图3所示。火灾场景1中，由于观测点C与火源位置相距较远，在536 s能见度降到10 m以下，温度和CO体积分数均未达到临界值。火灾场景2中，由于火源位置通风条件较好，大量烟气排出，因此观测点C能见度未受到影响，且CO体积分数没有达到危险临界值，但距着火位置较近，温度上升较快，在83 s达到60 ℃。火灾场景3中，大约在590 s能见度降至危险临界值，温度和CO体积分数增幅不大，人体可以忍受一段时间。火灾场景4中，因为观测点C离火源很近，在20 s时能见度就降低至10 m，30 s温度就上升至60℃，90 s时CO体积分数达到危险临界值。

观测点C处各指标危险临界时间见表4。

表4 观测点C处各指标危险临界时间 s

根据能见度、温度和CO体积分数的观测和分析的结果，取安全评价指标中危险临界时间的最小值作为ASET，观测点A、B、C处ASET见表5。由表5中可知，火灾场景4时观测点A、B、C的ASET均最小，因此火灾场景4为最危险火灾场景。

表5 观测点A、B、C处ASET s

图3 观测点C处各指标变化趋势图

3 客舱人员疏散模拟

3.1 人员必需安全疏散时间研究

人员的必需安全疏散时间(RSET)TRSET由火灾报警时间Talarm、人员反应时间Tresponse、人员运动时间Tmove这3部分组成[6]。

TRSET=Talarm+Tresponse+Tmove。

(1)

某客船安装有火灾探测器和自动报警系统，感知火灾能力较强，能在较短时间就探测到火灾的发生，因此取Talarm=30 s。考虑到大多数乘客都没有船舶火灾演习的经验，依照最不利原则，假定人员反应时间Tresponse=30 s。人员运动时间Tmove指的是船上人员移动到疏散地点所需要的时间，即本文疏散模型所模拟的时间段。

3.2 疏散参数及场景设置

该客船共有乘客套房和船员房间202个，按照疏散指南中的人员设置要求，结合该客船的实际情况，假设客船内每个房间都住满人，因此设置疏散总人数为404人。客舱人员的年龄、性别以及行走速度如表6所示[7]。

表6 疏散人员年龄、性别和行走速度

由上文可知，火灾场景4为最危险场景，故疏散场景的火源位置选择在L4的棋牌室，疏散出口选择位于L4层的救生艇处。通过对火灾产物以及烟气扩散运动的分析，可以得知位于中厅位置的Ⅱ号楼梯可能会因为容易聚集大量的烟气而无法行走，因此本文在模拟疏散场景设置2种工况：疏散场景1为Ⅱ号楼梯未失效时，乘客和船员的疏散情况；疏散场景2为Ⅱ号楼梯失效时，乘客和船员的疏散情况。

通过研究客船的内部结构、疏散通道、楼梯数量及位置、集合站和救生艇位置的图纸信息，构建了客船客舱的物理模型，结合参数设定，建立Pathfinder人员疏散仿真模型。

4 疏散结果分析

4.1 疏散场景分析

图4为客船客舱疏散人数统计图，由图4(a)知，疏散场景1中成功疏散客船客舱404名乘客和船员共使用了393 s。疏散时间为100 s时，成功疏散92名人员，大部分乘客和船员聚集至Ⅱ号楼梯，此时因为楼梯通道较窄而产生拥堵现象，少量人员通过选择Ⅰ号和Ⅲ号楼梯疏散；疏散时间为200 s时，成功疏散229名人员，剩余待疏散人员集中在Ⅱ号楼梯，L1和L2层人员已经疏散完毕；疏散时间为300 s时，成功疏散322名人员，此时大部分舱室人员已疏散完成。而且，最后一个通过观测点A的人所用疏散时间为257 s，最后一个通过观测点B的人所用疏散时间为384 s，最后一个通过观测点C的人所用疏散时间为168 s。

图4 客舱疏散人数统计图

由图4(b)知，疏散场景2中成功疏散客船客舱404名乘客和船员共计使用了404 s。疏散时间为100 s时，成功疏散65名人员，由于Ⅱ号楼梯聚集大量烟气而失效，乘客和船员选择Ⅰ号和Ⅲ号楼梯为逃生路径；疏散时间为200 s时，成功疏散208名人员，Ⅰ号楼梯已无待疏散人员，Ⅲ号楼梯因为人员较多出现拥堵现象；疏散时间为300 s时，剩余人员基本位于Ⅲ号楼梯和L4层。而且，最后一个通过观测点A的人所用疏散时间为189 s，最后一个通过观测点B的人所用疏散时间为270 s，最后一个通过观测点C的人所用疏散时间为339 s。

4.2 安全性判断

将各疏散场景下ASET和RSET进行对比分析，根据客船客舱火灾安全疏散判定标准，不满足ASET>RSET的疏散场景均判定为不安全情景，火灾场景4在2种疏散场景下的安全性判断结果见表7。

表7 火灾场景4在2种疏散场景下的安全性判断 s

5 结束语

1)利用PyroSim软件对4种火灾场景进行数值模拟，分析火灾发生过程中各观测点能见度、温度和CO体积分数的变化规律，可以知道火灾场景4为最危险场景，此场景下观测点A、B、C的ASET分别为168 s、76 s和20 s。

2)利用Pathfinder软件对船上人员在最危险场景下的疏散行为进行模拟，得到场景1、场景2各观测点的RSET。对比ASET和RSET，可以判断在最危险火灾场景下，无论Ⅱ号楼梯是否失效，船上人员都不能全部安全疏散，因此需要制定相应的火灾防范措施和安全疏散对策。