自由空间油池火灾灭火过程仿真研究

丁立斌，陆金铭，任 凯，吴向君

(1.江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏 镇江 212003;2.海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033)

解低速热驱动流，其燃烧基本控制方程如下:

质量方程:

组分方程:

动量方程:

能量方程:

气体状态方程:

0 引言

油池火灾是船舶上的一种常见的火灾形式［1］，特别是在甲板等自由空间上的池火由于氧气供应充足，燃烧非常剧烈，火焰高度有时可达数十米，且容易蔓延，危害性极大。同时，船舶池火火灾的燃料大都为燃油，其燃烧值约为4.28×104KJ/kg，燃烧时热对流和热辐射强度非常大，容易造成灭火人员烧伤，增加了灭火的难度，所以一旦产生大面积的甲板油池火，后果将不堪设想［2］。

目前，自由空间油池火灾的研究大都集中在燃烧的热释放率、辐射特性、温度场分布等燃烧特性。水雾和水喷淋对火场的作用主要还是集中在受限空间和密封空间的火场分析上［3］。关于实际灭火过程中火场的变化情况分析研究较少，同时由于大尺度的油池火灾试验还难以开展，试验数据较难获取。本文将采用基于场模拟的火灾模拟软件FDS(Fire Dynamic Simulation)进行油池火在水喷淋作用下的燃烧特性分析，为船舶消防训练提供理论依据。

1 数值方法与仿真模型

1.1 数值方法

FDS软件是美国国家标准技术研究院(NIST)的建筑火灾实验室研究开发的模拟软件。近年来由于其良好的性能和开放性被广泛应用于火灾安全工程领域，其计算结果也得到了国内外不少研究人员的验证［4～6］。本研究采用低马赫数的N－S方程求

本文采用大涡(LS)数值模拟方法进行数值计算。大涡模拟的基本思想是精确求解某个尺度上的所有湍流运动，低于这一尺度的采用湍流模型进行计算，兼顾了计算精度和计算时间以及计算成本问题。

1.2 仿真模型

模型设定燃烧池为2000 mm×2000 mm的矩形区域如图1所示。水枪位置约为1700 mm高度，开花水枪的喷射角度根据实际情况约为－116°～－150°之间，其余各项初始条件设定见表1。从实际实验中油池燃烧情况看，油池点燃后20～30s进入稳定状态，设定20 s时开始喷淋动作。根据实际灭火使用的喷淋水枪，喷淋液滴尺寸按1200 μm呈正态分布。

图1 FDS油池模型

2 仿真结果与分析

计算过程中通过改变水枪头与油池的距离以及水枪头的入射角度，得出了不同灭火条件下的火势变化情况。通过对比分析，不同距离和不同入射角度对火势会产生不同的影响。从图2可以看出，－150°入射角条件下灭火效果最好，火势没有较大波动;而－116°效果最差，在后期火势有小幅的波动。分析不同距离条件下的火势的熄灭时间没有较大的变化，可以认为在距离火源一定范围之内，贴近火源并不能减小火焰的扑灭时间，这对实际灭火有很大的指导意义。

表1 FDS条件设置

图2 不同距离和不同入射角度下的热释放率

此外，由图3可见，油面上方300 mm处温度随入射角度不同而发生变化，入射角度越小温度波动越大。而距离油面上方1800 mm处的温度基本不随入射角度的变化。由于燃料燃烧速率受温度影响，可以推测火势大小受近油面温度影响。

3 结论

通过FDS数值计算可以得到如下结论:

(1)在距离火源一定距离之内，增加与火源的距离并不能提高灭火效果，反而会增加灭火人员灭火危险。在灭火训练和实际的消防行为中，尽量保持合适的灭火距离，不要贴近火源。

(2)灭火中存在最优的水流入射角，本文中为－150°，而其他火源形式或者灭火行为中需要重新计算最优入射角。

(3)灭火过程中火势受温度影响，温度对燃料液面的作用只限于一定的距离之内。

图3 不同入射角下的油面上方温度分布

［1］吴家运.船舶火灾事故调查分析及防治［J］.船海工程，1990，20(5):40－41.

［2］范维澄，王清安，姜冯辉，周建军.火灾学简明教程［M］.中国科学技术大学出版社，1995.

［3］李雯，陈军，程晓舫.火灾学的研究与展望［J］.火灾科学，1998，(4):47 －52.

［4］WEN J X，KANG K.Validation of FDS for the prediction of medium － scale pool fires［J］.Fire safety Journal，2007，42(2):127 －138.

［5］YANG D，HUL H.Comparison of FDS prediction by different combustion models with measured data for enclosure fires［J］.Fire Safety Journal，2010，45(5):298 －313.

［6］BISWAS K，GORE J P.Fire dynamics simulation of buoyant diffusion flames stabilized on a slot burner［J］.Combustion and Flame，2006，144(4):850－853.