潜艇舱室内的火灾模拟及消防决策研究

陈晓洪 张光辉 刘 辉

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉 430033

潜艇舱室内的火灾模拟及消防决策研究

陈晓洪 张光辉 刘 辉

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉 430033

目前研究火灾的模型由于不能很好地反映烟气的流动特性和温度场的分布，以及存在对非规则空间的局限性。采用GAMBIT对潜艇舱室非规则空间进行网格划分，运用N－S时均方程和双k-ε湍流模型对流场进行理论计算，结合燃烧化学反应为单步不可逆快速反应假设，对舱室内的火灾发展过程进行模拟。通过临界火灾发展和蔓延的临界时间制定消防决策。文章为潜艇的消防决策研究提供了一种实时可靠的研究方法。

火灾模拟；湍流模型；N－S时均方程

1 引言

潜艇舱室是非规则结构舱室，舱室密闭性非常好，一旦舱室发生火灾会对舱室内的艇员、设备以及整个艇体结构造成很大的损伤。快速有效的消防决策是艇员正确使用消防设备、系统以及自救的重要保障。消防决策的基础是正确理解和掌握潜艇舱室内的火灾危险性。全尺度火灾试验研究是最直接的火灾研究方法，但是全尺度火灾试验需要的费用高，而且实际火灾情况千差万别，并不是所有的测量数据都能用于消防决策研究［1］。本文利用计算机对模拟非规则潜艇舱室内的火灾危害性，通过模拟结果指导潜艇艇员进行消防决策。

目前，用于研究火灾的模型主要有区域模型和场模型。区域模型主要用于规则长方体空间的模拟，且假设同一区域内火灾烟气的各个物理量都相等，不能较好的反映烟气的流动特性和温度场分布情况。场模型研究方法是指将所研究空间分成大量的网格，在每个网格上求解质量、动量和能量方程，其中最有效的软件是FDS，但是它对于非规则空间存在很大局限性，对于非规则体，FDS构造能力较差，采用亚网格大涡模拟时会产生加大的计算偏差［2］。

本文采用三维的数学模型对潜艇舱室内的火灾进行模拟研究，火源采用表面蒸发速率表示，烟气浓度用流场中的空气组分浓度表示；通过计算得到不同时刻不同位置上的温度和气体浓度分布，根据潜艇火灾发展和蔓延临界时间计算，制定消防决策。

2 火灾危险性模拟数学理论模型

2.1 计算理论模型

流体流动受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、组分守恒定律。同时气体流动受到浮升力的支配，湍动促进质量、动量、能量和组分扩散，因此还要遵守湍流输运方程。采用Reynolds时均方程模拟［3］，得到各个方程的综合表达式。

连续性方程：

动量方程：

能量守恒方程：

组分守恒方程：

状态方程：

式（1）～ 式（5）中， ρ为密度； t为时间；xi为 i方向空间坐标；＜μi＞为i方向的时均速度；p为压力；μ为黏性系数；为i方向时均体积力；cp为比热容；＜T＞为时均温度；λ为导热系数；＜Y＞组分时均质量分数；D为扩散系数；R为通用气体常数；Φ′为Φ对应的脉动量（Φ表示u，T，Y）。

以上的Reynolds时均方程组并不封闭，其中表征湍流脉动引起的质量、动量和能量输运二阶关联项＜ui′uj′＞、＜ui′T′＞和＜ui′Y′＞都是未知的，分别称为Reynolds应力，Reynolds热流和Reynolds物质流。根据Boussinesq公式Reynolds应力、热流和物质流分别表达为：

2.2 燃烧模型

燃烧简化为单步不可逆的简单化学反应过程。采用层流扩散理论和快速反应假定，把化学反应区视为极薄的火焰面［4，5］，混合分数 f的定义为：

式中，f满足守恒方程，滤波后的方程为：

通过求解混合分数和混合分数均方值，将化学反应减少为2个守恒量，所有热化学标量（组分质量分率、密度和温度）均与之有关。给定化学反应性质和化学反应，系统其它的特定限制及流场中任一点的瞬时守恒分数值可被用于计算每个组分分数、密度和温度值。

考虑到火场的主要辐射成分是辐射连续的固体颗粒，近似地将火焰和烟气作为灰体处理，忽略颗粒的散射作用，黑度取值0.96，空气吸收系数取值 0.26／m；周围为非绝热条件。

3 潜艇某舱室结构描述

以潜艇机舱为例，其舱室的主要机械设备是2台柴油机。柴油机高4.5m，底部宽2m，顶部宽2.5 m，长 6 m；舱室是直径 8 m，长 10 m 的圆柱体，分为上下两层，层高4 m，上下两层间是内甲板平台。在艇首尾各有2个至柴油机底部的通道口，通道为1m×1m的正方形，设处于常开状态，舱室与舱室间是0.6 m×1 m的方形水密门，设处于常闭状态，如图1所示。

图1 潜艇某舱室平面

4 网格划分和条件设置

4.1 网格划分

鉴于舱室平面高度对称，同时舱室体积大，为了减少网格划分数量，取舱室体积的1／4进行计算，相应的分割面都设置成为对称面。模拟中采用GAMBIT将舱室内各个面上的边按照0.1 m间隔划分一个网格［6］，所有面都按照四面形划分。划分完成后采用TGRID类型对舱室体进行网格划分，共得到224 596个控制体，如图2所示，最小体积为 6.29e-8m3，最大体积为 2.47e-3m3。

4.2 初始条件和边界条件

初始条件：舱室内的气体为理想空气，舱室结构为钢，空气和钢板的初始温度为105Pa，舱室内的初始温度为300 K，考虑浮升力的影响，重力加速度为9.8m／s2；火源为舱室底部2台柴油机间中心位置处面积为1×2m2的液体燃油，燃油的平均垂向蒸发速率为2×10-6m／s，即平均质量蒸发率为 0.031 2 kg／s，约 1.3MW。

边界条件：所有的壁面都是采用无滑移边界，即固体壁面上的速度分量均为0；所有壁面的厚度均为 0.02 m， 对流换热系数为 60W／m2·K，速度入口处湍流强度为10%，动力学直径为0.01 m。燃油蒸发速度入口处的混合质量分数f为0.2，时均混合分数f′2为0。

5 模拟结果

稳态燃烧50 s后，潜艇舱室内的温度如图3所示。稳态燃烧50 s后潜艇舱室内的CO2摩尔分数分布如图4所示。模拟结果如下：

1）在本文的火灾场景下，舱室稳态燃烧50 s后甲板上层的平均温度为65℃；甲板下层温度分成2层，其中上层的平均温度为150～250℃，下层的平均温度为70℃；火焰高度约为1.5m，火焰的平均温度为1 000℃。

2）上层甲板温度迅速升高的主要原因是烟气通过甲板4个通道和柴油机后的缝隙迅速蔓延造成；烟气在蔓延的过程中紧贴舱壁卷吸，快速充满上层顶部空间，然后向下沉降，在上层空间内中间沉降速度最快。

3）50 s后上层空间烟气分层界面在距离顶部约3 m处，此时烟气的摩尔分数为0.8%；下层烟气也出现分层现象，但是较上层空间明显，分层界面出现在距离底部甲板约1m处，此时烟气的摩尔分数为0.64%。

6 消防决策及建议

6.1 消防决策

消防决策的主要目的是控制火灾和灭火，解决潜艇舱室内出现火灾后的各种实际问题。消防决策的主要对象是人的行为动作，这些动作包括：启动灭火设施、转运危险物品、以及人员逃生和封闭舱室等。但是所有这些消防决策必须建立在理论和试验的基础上。通过消防决策研究可以针对性的指导艇员进行消防训练，提高消防技能。

火灾发展和蔓延是随时间变化的过程量，因此，制定消防决策和实施控火或灭火也必须随时间不断地变化。

6.2 火灾发展和蔓延过程临界时间计算

火灾发展和蔓延过程临界时间是消防决策重点转变的参考时间，消防决策重点指某个时间段内集中主要力量所进行的消防工作，临界时间主要包括火灾发展临界时间、火灾蔓延临界时间、人员逃生和封舱临界时间。

火灾发展临界时间主要是指火灾由小火转变成稳定燃烧状态的火灾。其计算依据是根据不同的火灾种类的热成长速率。根据火场经验和大量的实验室测试结果分析，人们通常对一定空间内的火灾发展过程用具体的数学计算公式来描述。针对火灾中可燃物的热释放速率，大部分是采用“时间—平方火灾”来设计计算［7-8］。

式中，Q为火灾稳态燃烧的热释放速率；α为火焰成长系数，α =0.002 9（慢速），α =0.011 7（普通），α =0.046 9（快速），α =0.187 6（极快）。

以本文潜艇机舱油火为例，α=0.187 6，Q=1.3 MJ，则火灾发展临界时间 t=83 s。

火灾蔓延临界时间主要指舱室环境发展到不利于艇员进行控火或灭火的时间，其主要依据是烟气层的高度和舱室内的平均温度。根据人员的生理极限条件确定，当舱室平均温度达到60℃，烟气内CO2浓度达到0.8%时艇员活动受限。火灾蔓延临界时间主要通过计算机模拟得到，以本文为例t=30 s。

人员逃生和封舱临界时间指烟气高度降到水密门高度，人员的撤离将会严重影响到相邻舱室的生存环境或火灾发展到完全无法控制的地步。其主要依据上层烟气层的高度和火灾周围易燃易爆物品遭受的热辐射量，本文舱室主要以上层烟气层的高度为封舱临界时间的计算依据，根据模拟结果得t=50 s。

7 建议

根据本文潜艇机舱的模拟结果得到如下消防决策［9］：

1）火灾发生后0～80 s之间，舱室艇员主要采用便携式消防设备进行舱室灭火；

2）如果艇员无法灭火，30 s内撤离底部舱室同时关闭底部舱室内的各种通舱件的阀门和切断各种电器设备的电源；

3）20～30 s内完成上层舱室内的封舱动作，并撤离舱室，启动全艇性消防系统进行灭火；

4）邻舱艇员除保障起火舱室内艇员的消防管制外，还需要对舱壁进行冷却降温。

采用本文的模拟方法能够精确的计算出潜艇非规则舱室内各个时刻各位置的温度和气体的浓度分布，结合舱室人员的生理承受能力和损管器材的配置，可以合理安排潜艇舱室内的艇员损管动作和最长作用时间，提出保障生命安全前提下的最佳消防决策和损管途径。

［1］ 李炎峰，邹高万，孙萍，等.非规则大空间内烟气填充的研究［J］.暖通空调，2005，35（1）：65～68.

［2］McGRATTAN K B，BAUM H R，REHM R G， et al.Fire Dynamics Simulator （Version 3） -Tec h nical Reference Guide［R］.USDepartment of Donald L.Evans， Secretary，National Institute of Standards and Technology，2002.

［3］ 范维澄，孙金华，陆守香.火灾风险评估方法学［M］.北京：科学出版社，2004.

［4］ 邹高万，谈和平，刘顺隆，等.船舶大空间舱室火灾烟气填充研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2007，28（6）：616-620.

［5］ 李丽霞，张礼敬，孟亦飞，等.池火灾热辐射下的最小安全距离［J］.中国安全科学学报，2004，14（3）：16-19.

［6］ 王瑞金，张凯，王刚.Fluent技术基础与应用实例［M］.北京：清华大学出版社，2007.

［7］ 张光辉，浦金云，陈霖.舰艇舱室性能化防火设计研究［J］.安全与环境学报，2007，7（4）：115-118.

［8］ 李引擎.建筑防火性能化设计［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［9］ 冯凯，徐志胜，周庆.火灾模拟分析与消防指挥决策的融合研究［J］.消防科学与技术，2005，24（3）：330-333.

Fire Simulation and Firefighting Decision-M aking for Submarine Cabins

Chen Xiao－hong Z hang Guang－hui Liu Hui
College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China

At present， themodel of studying fire cannot reflect the flow feature of smoke and gas aswell as the distribution of temperature field very well.Also，it has limitation for the irregular space.The GA MBIT was used to generate the meshes for the irregular shapes of submarine cabin，and the N－Stime－mean equation and k－ε turbulent flow model were used to compute the flow filed.Under the assumption that the combustion chemical reaction is irreversible，fire developing process in the cabin was simulated.Through the critical fire development and the critical fire spreading time， firefighting decisions can bemade.Therefore， a real－time and reliable research method is established to provide strategies in submarine fire fighting.

firemodel； turbulent flow model； N－Stime－mean equation

U664

A

1673－3185（2010）01－34－05

2009-03-30

陈晓洪（1963－），男，副教授。研究方向：舰船生命力技术。E-mail：liuhui503@126.com

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