船舶机舱火灾安全性分析

孙世芳,秦光耀,刘 波

(浙江国际海运职业技术学院 船舶工程学院,浙江 舟山 316021)

机舱内的速度场是指舱内空气流动的方向和速度大小。机舱是放置船舶动力及辅助机械和轮机人员进行管理的场所,机舱中的温度、湿度、以及油气等有害气体的含量构成了机舱的环境条件,空气中的粉尘、有害气体及高温高湿等都会损害人体的健康,所以机舱内速度场对机械设备的布置和人员的影响很大。

舱内的柴油机、辅助锅炉等设备在正常工作期间向周围环境放出一定的热量;船用发电机组吸收机舱内的空气,一些特殊部位的油气蒸发会使舱内空气含有可燃气体和有害气体。由于环境状况的变化影响柴油机气缸内的实际空气量,机舱内的气压、温度、湿度都会发生变化,进入气缸的空气量就会不同,从而影响柴油机的工况[1],由此可见,船舶机舱内的整体环境是非常复杂的。

对机舱内的速度场进行模拟分析,有助于提高机舱内的安全性和机械通风效果,改善机舱内空气流动,避免在舱内形成通风死角。用良好的气流组织向机舱内注入足够的新鲜空气以保证机舱内设备的正常工作,同时带走机舱内多余的热量建立并维持机舱内适宜的环境条件显得相当重要[2]。本文运用FDS软件,采用大涡模拟的方法对全回转拖船机舱内的速度场进行数值模拟,分析速度场并对其作出相应的科学解释,为机舱速度场分析和机舱设计提供参考。

1 模型的建立

1.1 机舱物理模型的建立

本文以某全回转拖船作为模拟对象,研究其机舱内速度场分布。该拖船舱内的设备繁多,结构复杂且不规则,因此要想精确模拟真实的机舱环境以得出速度场分布,就目前计算机的计算能力和技术方面来讲,要完整的计算无法实现[3]。因此要对机舱内的设备进行简化,简化后的机舱总体尺寸和舱内设备的布置见图1。

1.2 计算边界条件及火源的处理[4-5]

本文的边界条件主要为舱室壁面的物理性质及通风口气体的性质。根据图1舱室的结构图,设定设备相应的参数：机舱内两台柴油机。在甲板的上部的两个通风口,机舱风机的面积分别为0.6×0.5m2,0.4×0.7m2,风速分别为4m/s,4.5m/s;主机附近的进气口面积为0.4×0.7m2,风速为5m/s;在右侧甲板上的舱门的面积为0.7×1.6m2,模拟的初始室温为30℃。

图1 船舶机舱在FDS中的结构图(俯视图)

选择油池火作为一火源点,假设在一定的时间后,柴油经油管泄露后在两主机中间的甲板上形成一直径为1m、厚0.02m的油池,考虑到计算的方便,将其转化成1×1×0.02m3的立方体油池,其最大热释放速率为：

式中：Q为化学热释放速率;m″为每单位表面积的质量燃烧速率;m″∞为大型油池火灾渐进质量燃烧率;k′为有效吸收系数;Δ Hc为燃烧热;xchem为燃烧效率;D为油池的直径。因此由 (1)式可计算该油池的最大热释放速率为Q=5744kW。

2 火源情形下速度场分析

设定的火源在两主机中间的地面上,同时对火源的热释放速率进行了简化,并设为定值HRRPUA=800 kJ/(m2◦s),在舱门开启的情形下,测量速度、速度矢量及氧气含量。

2.1 速度图分析

从高度Z=0.3m、Z=3m和Z=5.5m三个平面的速度和速度矢量图可以看出,7秒时机舱前部的所有区域的速度场都受到了影响,7秒后机舱后部开始受到影响,大约23秒时,整个机舱内部的速度场都受到影响并逐渐稳定下来,接下来的几十秒钟时间里只有小范围的波动。

图2 速度分布图

如图2所示,在大约10秒左右,火源已经完全影响到了机舱的前部,并开始影响机舱后部的空气流动;速度场分布不均匀,局部 (通风口、火源上方)速度过大,其他区域很小;但高度Z=5.5m时,即靠近舱门高度的速度场很均匀,这是因为舱门的开启保持了与外界的流通,无论是压力、温度和空气流通;舱门成为了一个缓冲阀,可以保持舱门附近区域空气状态的相对稳定。

从图3中可以看出在起火后大约30秒时刻就已经影响到全部机舱区域并趋于稳定,而且3m高度比0.3m高度处速度场受影响更快,部分是因为空气碰到机舱内顶蓬甲板时发生反弹,使空气向平行方向发散,因此空气的速度要比0.3m高度的空气速度大,受影响更早。因此得出结论如下：

图3 速度分布图

(1)机舱内设备密集的地方空气遇到障碍物反弹,速度就相对大一些,反之设备不多的地方空气遇不到障碍物,速度一旦稳定下来就比其他区域速度要小。

(2)还有重要的一点就是机舱内速度最大的几个地方除了进气口与排风口之外,舱门处和火源上方的速度最大：火源上方速度大是因为火焰燃烧消耗氧气并产生烟尘,热烟气本身虽然不能燃烧,但它的温度很高,密度较小,必然形成对流。附近压力的剧烈变化也会导致空气流动;舱门处的速度大是因为舱内燃烧使得舱内压力大于舱外因而向外排放气体,使得舱门处的速度在整个过程中都很大。

2.2 速度矢量图分析

图4 速度矢量图

速度矢量的方向都是朝向舱门外面的,说明至少在前100秒时间内,舱门开启时,是在向外部排气的,同时带走了巨大的热量,并没有出现进气助燃的情况。所以在机舱火灾发生100秒时间内 ,即使工作人员都撤离了,舱门也不需要马上关闭。

2.3 氧气含量图分析

图5是时间t=23秒时、高度Z=3m时氧气含量切面图,从图上可以看出机舱前部的氧气含量下降的很快,并且火焰的燃烧已经开始消耗机舱后部的氧气了。

图6是t=80秒时的氧气含量切面图,此时机舱内的含氧量已经很低了,机舱内人员必须尽快撤离,这同时反映机舱起火后,工作人员没有充足的时间对起火火源进行控制,而且考虑到人员安全,必须尽快撤离。

图5 氧气含量图

图6 氧气含量图

图7是机舱起火后100秒内舱内温度分布的5次截图。由图7可得看出,虽然起火后100秒内机舱后部温度受影响不大,但机舱前部温度升高非常快,到60秒时已经达到80度左右,舱室内的温度已升高至人体所无法承受的温度,因此根据温度变化趋势,可断定在约80秒左右之前人员必须从舱室内撤离;同时也可以看到,至少在前100秒内,机舱的强制通风系统无法发挥良好的通风散热作用,舱内温度逐渐升高。但若能在容易发生起火的火源点上方的甲板上加上一个通风口,通风效果也许会好一些[6]。

图7 温度分布图

3 结 语

本文运用FDS软件较为真实地模拟了某全回转拖船机舱在有火源且舱门开启时机舱内各种场的分布情况,得到机舱内燃烧速度、氧气含量、温度速度矢量图并对舱内所设探测点处的速度在100秒模拟时间内的变化进行做了总结,并给出相应的科学解释,得出如下结论：

(1)模拟的结果向人们展示了经验层次上所无法观察到的舱内速度场具体变化分布情况。

(2)在有火源的情形下,舱内速度场的分布直接影响到了舱内各处氧气含量并决定了舱内温度场的分布;有火源情形下的模拟结果得出100秒内关闭舱门不利于机舱火灾的控制。

(3)模拟的这艘拖船的强制通风系统工作情况良好,可以用良好的气流组织向机舱内注入足够的新鲜空气以保证机舱内设备的正常工作,保证工作人员的健康状况和良好的工作状态。模拟结果显示在机舱甲板上增加一个排风口会使通风情况更好。

[1]赫伟健,王迎新,段树林,等.船舶机舱空间温度场速度场的数值模拟[J].大连海事大学学报,2005,31(1)：39-41.

[2]季军,于希斌.船舶机舱火灾成因分析及对策[J].世界海运,2005,28(4)：19-21.

[3]周山.柴油机船舶机舱热环境数值模拟[D].大连：大连海事大学,2010.

[4]胡靖,陆守香,黎昌海,等.船舶封闭舱室火灾烟气温度特性研究[J].火灾科学,2010,19(3)：109-115.

[5]苏庆勇,贺广兴,李响.游船空调降温过程舱内温度场及速度场的动态模拟[J].低温与超导,2008,36(2)：51-54.

[6]王亮,苏石川,聂宇宏,等.船舶机舱火灾中回燃现象的数值计算与分析[J].舰船科学技术,2009,31(6)：63-66.