舱室消防预案数值模拟设计及实现

2015-02-22张凤香吴晓伟

舰船科学技术 2015年7期

关键词：火灾

张凤香，吴晓伟

(海军装备研究院，北京100161)

舱室消防预案数值模拟设计及实现

张凤香，吴晓伟

(海军装备研究院，北京100161)

摘要:为提高水面舰船消防预案的有效性，针对制定舰船消防预案的需求，设计了具有工程实用性的数值模拟方案，并以某一主机舱所处防火主竖区为典型案例，采用火灾动力学场模拟方法，模拟起火舱室及相邻舱室采取灭火措施后的舱内烟气温度、舱壁和顶壁温度、CO气体浓度、能见度等参数随时间的变化，并分析火灾对扑救人员的威胁以及灭火措施对火灾控制的影响。实例计算表明，及早发现初火并正确操作至关重要，没有控制住且进一步发展的火灾，机械通风状态对舱内火灾早期烟气运动的影响较大，舱壁喷水冷却对降低舱壁温度效果明显，但封舱灭火后需要较长时间才能达到安全状态等。数值模拟结果对进一步细化消防预案具有重要意义。

关键词:水面舰船;火灾;消防预案;场模拟

The design and numerical simulation of the predetermined firefighting plan of surface vessels

ZHANG Feng-xiang，WU Xiao-wei
(Naval Academy of Armaments，Beijing 100161，China)

Abstract:In order to raise the feasibility of predetermined fire-fighting plans，someplans were designed and calculated with field-simulation numerical model．Taking a vertical fire zone with a machinery cabin as a typical example，the program of the simulation were designed first，then the main factors of the on-fire cabin and adjacent cabins were calculated．The effects of the fire-fighting plans on fire-fighting were analysed．The simulation results could be significantly meaningful for establishing fire-fighting plans．

Key words:surface vessel; fire; fire-fighting plan;field simulation

0　引言

制定科学合理的消防预案是控制舰船火灾危害的重要手段［1］，传统上根据舰船损管条例、规范以及火灾事故案例制定各船的消防预案，作为舰船消防作业及舰员训练的指南。但由于火灾对设备以及人员的破坏性以及消防过程的综合性和复杂性，进行实船考核验证的风险性较高、耗资也较大，其有效性往往得不到验证。随着建筑设计中的火灾仿真技术逐渐成熟，将数值仿真用于舰船火灾研究正在得到迅速发展［2－8］，如美国国家标准技术研究院(NIST)开发的火灾动力学场模型软件(FDS)对于舰船火灾舱室具有较好的适用性，因此，以其作为主要模拟分析工具，探索应用数值模拟方法解决舰船消防预案的有效性评估问题非常重要。

本文拟选取某机舱及所在防火主竖区为研究对象，模拟其可能出现的着火事故及舰员采取不同的灭火措施时舱内温度、有害气体浓度等随时间的变化，分析其对扑救人员的威胁，并分析对同一主竖区相邻舱室的影响，评价不同灭火措施介入对灭火效果的影响，评估舱室发生火灾后舰员所采取的灭火对策的有效性，提出灭火中需要注意和把握的问题。

1　计算模型及边界条件

1.1计算模型

本文用火灾动力学场模型软件(FDS 4.07)作为模拟工具，FDS是基于大涡模拟技术计算流体力学(CFD)软件，可以计算燃烧所引起的流动及传热问题，包括喷淋系统的作用等［10］，在消防安全工程研究中得到了广泛应用［10－14］。通过数值方法求解Navier－Stokes方程来分析燃烧过程中烟气流动过程和传热过程。主要包含有燃烧模型、热辐射模型和热裂解模型等。燃烧模型通常采用混合分数模型，认为燃料和氧气的反应速度无限快，这样的假设在室内火灾场景中合适。反应物和燃烧产物都可以由气体状态方程以及火灾理论得到。辐射热传导则是将烟颗粒视为非散射灰体介质，通过求解热辐射方程计算火灾过程中热烟气的辐射危害性。热解模型则利用木材热解模型。求解FDS控制方程组的核心算法是一种显式的预估－校正方法，时间和空间的精度都为2阶［10］。

1.1.1控制方程组

将建筑分成小的三维计算单元(控制体)，计算每个单元内气体的密度、速度、温度、压力和组分浓度，从而给出火灾中的烟气流动和传热过程，采用可压缩理想气体的质量、动量和能量守恒方程。l

式中:ρ为气体密度; u为气体速度; Yl为组分的质量分数; Dl为组分l的传质系数; mml为组分l的质量流量;ρ为气体压力; g为当地重力加速度; f为气体上的外部力;τ为粘性力张量; h为焓值; qr为辐射热通量向量; K为空气的热传导率; T为气体温度; hl为组分l的焓。

1.1.2火源模型

火源的热释放速率

式中: Q·为火源的热释放速率，MW;χ为燃烧效率; m·为质量燃烧速率，kg/s;ΔH为燃烧热，MJ/kg。

油池火质量燃烧速率预测模型:

式中，m·″∞为最大单位面积质量燃烧速率，kg·m－2·s－1; kβ为经验常数。

热释放速率大体按指数规律增长，用t2火进行估算。

式中α为火灾增长系数，kW/s2。

1.2边界条件

边界条件主要包括火灾发生的场所、起因、火灾类型、火灾大小和火灾发展过程影响因素等。

火灾发生的场所选取具有代表性的某主机舱为研究对象。图1为模拟区域的三维模型剖视图，图2为模拟区域的俯视图。

图1　模拟区域三维模型剖视图Fig.1 Modeled diagrammatic cross-section

图2　某主机舱俯视图Fig.2 Aft-engine room overlook-section

火灾起因是柴油机或输油管路发生泄漏，碰到高温壁面引发着火。B类火灾，火灾类型为油池火，着火位置在两柴油主机的中间。

火势大小取小火、中火2种。其中小火为只需在现场使用移动式灭火器就可以扑灭，中火为小火没扑灭继续发展成一个舱室内或防火主竖区的火灾。火源强度设最大达到灭火等级为55B灭火器所能扑灭的火源大小［15］，即面积为1.73 m2油火，柴油火热释放速率约为3.5 MW。

物理边界考虑了主要壁面和较大设备对火灾的影响;自然通风条件考虑通往上层的水平开口;机械通风条件根据实际操作的情况设定，通风状态1: 2台送风机，2台排风机都工作;通风状态2: 2台送风机工作、2台排风机关闭;通风状态3: 2台送风机关闭，2台排风机工作;通风状态4: 2台送风机，2台排风机都关闭。主机舱主送风机2台，排风机2台。

当前灭火剂与火源的相互作用难以用数值模拟方法模拟出来，且研究重点是着火后舰员采取不同的灭火行为后火场环境的变化，因此本文只考虑灭火措施有效与否，假设如果灭火措施有效，火源将在一定时间内被扑灭，如果灭火措施无效，火源至多会在扑灭过程中停止增长，灭火措施动作结束后，火源会继续增长。

2　数值模拟方案设计

2.1小火场景

小火场景针对某主机舱着火后舰员使用手提灭火器进行灭火的情况，主要考察开始灭火的时间(或灭火时机)对起火舱及相邻舱室火灾发展情况的影响，主要包括主机舱顶、前、后舱壁的温度随时间变化;主机舱及烟气可蔓延到的舱室烟气能见度随时间的变化;主机舱的CO浓度随时间的变化。

根据手提式灭火介入时刻不同，将小火场景分为小火场景1 (30 s介入)、小火场景2 (60 s介入)、小火场景3 (90 s介入)和小火场景4 (无介入)，有灭火器介入场景中灭火剂的喷射时间10 s。其中小火场景3的火灾热释放速率设计曲线见图3 (a)。模拟时间600 s。没有机械通风(通风状态4)，通道口开启，烟道与外界连通。

2.2中火场景

中火场景针对着火后使用手提灭火器、关闭通风、使用推车式灭火器、进行舱壁喷水冷却等灭火行动过程，主要考察采用多种消防手段对起火舱及相邻舱室火灾发展情况的影响，主要包括主机舱顶部舱壁、前、后舱壁的温度随时间变化;烟气可蔓延到的各个舱室的烟气温度随时间变化;烟气可蔓延到的各个舱室的CO浓度随时间的变化;是否会造成其他舱室的起火。

图3　小火场景3热释放速率曲线Fig.3　Heat release rate curve of small-size fire scene 3

图4　中火场景热释放速率曲线Fig.4　Heat release rate curve of medium-size fire

中火场景中设初始火源10 s内增长至超过3.5 MW，使用手提式灭火器、推车式灭火器后火灾热释放速率保持3.5 MW，3.97 MW，10.061 MW，火灾热释放速率曲线见图4 (a)。初始机械通风分别考虑通

风状态1 (中火场景1)、通风状态2 (中火场景2)、通风状态3 (中火场景3)三种状态，通道口开启，烟道与外界连通。模拟时间1 200 s。

3　计算结果及分析

3.1小火场景

图5～图8给出了小火场景3的计算结果。起火后90 s时刻，各考察面的能见度大于10 m，CO浓度小于1 400 ppm，由于火源很快被扑灭，在火灾过程中烟气不会对各舱室人员安全构成威胁。除起火部位外，某主机舱四周壁面及顶壁温度达到100℃;配电板室地面壁面温度达到70℃，接触到这些壁面的人员均有被灼伤的危险。舱段火焰及烟颗粒分布图见图5，火源XY剖面温度场分布见图6，某主机舱层Z剖面的温度场见图7，某配电板室层Z剖面的温度场见图8。

该主机舱、配电室的可用人员安全疏散时间，以及某主机舱壁面、配电室地面的壁面温度结果如表1所示。

图5　舱段火焰及烟颗粒分布图Fig.5 Flame and smoke distribution

图6　火源xy剖面温度场Fig.6　Source of ignition xy-profile temperature field

图7　某主机舱剖面(z = 2.1 m)温度场Fig.7 Aft-engine room z－profile temperature field

图8　某配电板室剖面(z = 6.8 m)温度场Fig.8　Power distribution room z－profile temperature field

表1　小火场景计算结果Tab.1　Results of small-size fire

根据上述计算结果，得出把握好灭火时机的量化结论如下:

1)若在90 s内舰员能采取灭火行动，正确使用灭火器，在10 s内将火灾扑灭，则某主机舱及上层舱室在火灾过程中不会对灭火人员构成威胁，四周壁面温度较低，不足以引起相邻舱室起火。

2)如果起火没有得到有效控制，舱内也仅可维持150 s左右的安全时间，配电室和齿轮箱舱分别在180 s和434 s时温升达到139℃，可能产生蔓延危险。

3)应对灭火器配置性能及舰员灭火行动时间提出严格要求，力求灭火器灭火能力足够、舰员能正确操作，要求在起火后60 s至多90 s内应完成灭火准备，开始向火源喷射灭火剂，灭火过

程中注意壁面皮肤接触主机及舱壁，以免灼伤皮肤。

3.2中火场景

图　9火焰及烟颗粒分布图Fig. 9　 Aft-engine room temperature field

图　10火源xy剖面温度场Fig. 10　 Power distribution room temperature field

图　11某主机舱剖面( z = 2. 1 m)温度场Fig. 11 Aft-engine room temperature field

图　12某配电室层剖面( z = 6. 8 m)温度场Fig. 12　 Power distribution room temperature field

该主机舱四周壁面及顶壁温度最高可达到300℃左右;配电室地面和齿轮箱舱壁面在喷水装置保护下，最高温度小于100℃。

该主机舱、配电室层的可用人员安全疏散时间，以及某主机舱壁面、配电室地面和齿轮箱舱壁面的最高温度等结果如表2所示，主机舱可用安全疏散时间较短，配电室层相对较长，壁面温度都均超过人体耐受极限温度。

表2　中火场景计算结果Tab. 2 Results of the medium-size fire

根据上述计算结果，得出以下结论:

1)通风状态的影响。初始通风状态对舱内火灾早期烟气运动的影响较大，在通风状态1 (2台送风机、2台排风机都工作)和通风状态2下(2台送风机工作)，舱内气体环境在100 s左右到达危险，而在通风状态3下(2台排风机工作)，舱内气体环境在70 s左右即到达危险。

2)舱壁喷水冷却的效果。在喷水冷却(配电室3×120 L/min，齿轮箱舱5×120 L/min)的情况下，配电室地面和齿轮箱舱壁面最高温度由300℃被控制在60℃～100℃左右，可以避免火灾通过壁面高温引起隔舱火蔓延。

3)灭火中舱壁的温度。机舱内壁面最高温度约在300℃左右，配电室地面和齿轮箱舱壁面即使有喷水存在，温度也超过60℃，人员皮肤直接接触，仍然有被高温灼伤危险，舰员应避免缺乏保护情况下与壁面接触。

4)封舱灭火后的返舱时间。由于火灾燃烧期间热量已在舱内长时间积累，通风关闭又减缓了舱内散热，因此单靠隔舱冷却，某主机舱在模拟时间

1 200 s内也没能降到60℃以下，此期间应避免人员进入舱室。

4　结语

本文针对舰船舱室以及消防过程的特点，利用火灾动力学场模拟方法，以某一主机舱所处的舱段为典型案例，进行了数值模拟方案设计，并对着火舱室以及相邻舱室的舱内烟气温度、舱壁温度、CO气体浓度、能见度等要素随时间的变化进行计算，给出各种消防预案对消防过程的影响，并对计算结果进行分析，给出灭火时机、通风状态、对舱壁喷水冷却对火灾控制的影响以及封舱灭火后返舱时间的计算结论。探索了基于数值模拟进行消防预案分析的技术途径。

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