有通风弹药舱内慢速火灾特性数值研究

李玉峰，张 宏，霍 岩

(1．中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南郑州450015;2．哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

0 引言

弹药舱是舰船的重要舱室，属于高危险性和易爆炸区域，其安全关乎舰船的战斗力和生命力［1］。弹药舱内即使再小的火情也可能引发灾难性后果，因此需要火灾探测设备能在火灾发生初期尽早探测报警，以便在事态严重之前采取有效应对措施。考虑到舰船火灾风险评估中最不利场景原则［2］，而慢速火灾发展的速度相对较慢，因此属于火灾早期探测的典型不利场景，而且弹药舱室内为了保持恒定的温湿度，通常都配备有通风系统，在通风的影响下，火灾热流场也会受到影响，从而呈现特殊的规律特性。目前对此类流场特性还缺乏深入的认识。随着CFD场模拟技术和计算机硬件条件的不断发展，数值模拟技术已经被很多学者应用于舰船舱室火灾特性研究中［3－5］，有结果证明数值模拟可以在降低实验成本的同时简便快捷地得到舰船舱室火灾相关数据［6］。本文利用数值方法对有通风的弹药舱室内慢速火灾热流场进行模拟，得到舱室内各火灾探测器处的相关参数变化规律，所得结论对于有通风舱室慢速火灾早期探测有一定的指导意义。

1 舱室模型与计算方法

弹药舱室为长方体结构，舱室内部空间尺寸为:长12 m，宽8 m，高3.5 m。舱室两侧上部各有6个对称分布的风口，各风口尺寸为0.3 m×0.25 m，风口中心距舱室上壁面0.2 m，舱室门所在的一侧6个风口为进风口，对面为回风口，每个风口的风量为0.1875 m3/s。舱室内地面上布置有6组弹药架。舱室结构的三维模型如图1所示。

图1 舱室结构示意图Fig.1 Cabin structure diagram

在舱室壁面以下0.3 m所在高度平面上，设置有点型温度(T1～T8)和烟雾(S1～S4)火灾探测器，各探测器在高度平面上的位置分布如图2所示。各探测器的采样频率为5 Hz，每秒输出一个采样平均数据。假设在火灾过程中，舱室门始终保持关闭状态，舱室没有自然开口。在通风作用下，舱室内温度保持在23℃左右。

图2 舱室内探测器布置 (单位:m)Fig.2 Detector arrangement in cabin(unit:m)

假设舱室内弹药架周围存放或遗落的杂物是形成火灾的火源，分别考虑火源位于舱室角落靠近送风口一侧和舱室中部靠近回风口一侧2种情况。火源面积假定为0.2 m2，火源发展过程简化为αt2火灾模型，根据国际标准《火灾安全工程第4部分:设定火灾场景和设定火灾的选择》(ISO/TS16733)［7］中的规定，慢速火模型的系数α为0.0029 kW/s2。火灾的烟尘粒子生成量假设为消耗燃料的4.2%。考察火灾发生后200 s内的舱室内热流场情况。

图3 火源位置示意图Fig.3 Diagram of the fire sources

火灾是多组分、有粘、热浮力驱动的低马赫数流动，因此在其基本控制方程组基础上，为加快方程组在计算时的求解速度，对控制方程组进行变形与简化后，得到如下主要控制方程组:

连续性方程:

组分方程:

动量方程:

速度散度约束方程:

状态方程:

压力约束方程:

式中:ρ为气体的密度;Yl为组分l的质量分数;为单位体积内组分l的生成率或消耗率;D为扩散系数;M为分子量;~P为压力扰动;V为气流速度矢量;g为重力加速度矢量;hl为组分l的焓;T为气流温度;k为热传导率;为体积热释放率;qr为辐射热通量矢量;τ为粘性应力张量;R为气体常数;Ω为旋度张量。

数值计算时，采用基于Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟技术使方程组封闭，燃烧采用单步反应混合分数模型，热辐射采用有限体积法进行计算。舱室壁面与外界的导热使用一维导热模型来计算。整个计算空间使用规格化网格划分，火源所在区域和舱室上部热烟气流经区域的立方体网格边长0.025 m，其余区域网格边长0.1 m。计算过程利用美国国家标准与技术研究院 (NIST)开发的火灾模拟软件 FDS(Fire Dynamics Simulator)［8］来完成。

2 结果与分析

火灾场景中通过数值计算得到的火源热释放率随时间的变化如图4所示。由图4可看出，热释放率随时间按设定的形式增长，在200 s时达到最大值120 kW，而且在100 s以后火源增大并受到通风的扰动使热释放率曲线出现波动。

图4 火源热释放速率随时间变化Fig.4 Change of heat release rate over time

火源分别位于舱室角落和中部时各温度探测器的输出如图5所示。图5可看出，由于慢速火的热释放率增长较慢，所以在考察的200 s内温度探测器测得的温度值均较低，最高也仅有40°，低于通常一级火灾定温探测的报警阈值62℃。而且，火源位于舱室中部时传感器输出的温度开始升高的时间要比火源位于火源位于舱室角落时晚约35 s，所测得的最高温度值也低了近5℃。对于火源位于舱室角落的场景，探测器T7和T8的温度最先开始上升，T8在火灾发生后约60 s后温度最先超过了25℃，T7在约70 s时超过了25℃，探测器T5和T6的温度在65 s后也开始逐渐上升，而探测器T1～T4的温度值在100 s以后才缓慢上升。对于火源位于舱室中部区域的场景，在约100 s后，探测器T2，T4，T6和T8处的温度都开始上升，这些测点都是靠近回风口一侧的温度传感器，说明火灾造成的温度影响主要局限于通风下游靠近回风口一侧区域的温度传感器。

图5 各点温度探测输出结果Fig.5 Output of the temperature probes

在火灾探测器所在的高度平面上，典型时刻的温度分布如图6和图7所示。由图中可看出，由于舱室内通风的作用，使由舱室角落靠近送风口一侧的火源产生的热量被送到回风口一侧，而且舱室内的通风使热量在探测器所在的高度平面上无法均匀向周围扩散，高温区域始终被控制在近火源一侧的舱室边沿和通风下游区域，热烟气对舱室中心和送风口一侧的通风上游区域影响较小。当火源位于舱室中部时，由于火源位置更靠近回风口一侧，火灾产生的热烟气扩散过程受到通风的限制，高温区域被限制在舱室靠近回风口一侧，后期才沿着舱室边沿向通风上游逐渐扩散。这说明，若是探测点多安装于舱室中心区域，则对于火灾的早期探测是不利的，因此对此类舱室内火灾探测器的安装位置设计和火灾早期探测方法研究时都应考虑通风对火灾热烟气蔓延过程产生的影响。

图6 火源位于角落处 (单位:℃)Fig.6 Fire source is located in the corner(unit:℃)

图7 火源位于中部 (单位:℃)Fig.7 Fire source is located in the middle(unit:℃)

舱室内各温度探测器输出数据达到不同温度的时间如表1所示。由表中结果看出，火源位于舱室角落时，靠近通风下游的温度探测器T8上升的速度最快并且能达到的温度最高，而不是火源上方最近的测点T7，这是由于火源热烟气在上升到舱室上壁面附近过程中，舱室内通风将大部分热烟气送至了下游区域的原因。火源位于舱室中部时，舱室通风下游的温度测点T2和T8上升相对较明显，这也是由于通风的作用使热烟气只能由舱室边沿向通风上游缓慢扩散的原因。

图8为火源位于舱室角落时，火源附近温度探测器T7和T8的温度变化一阶导数及其包络线，图9为火源位于舱室中部时，火源周围温度探测器T4和T6的温度变化导数及其包络线。由其曲线可以看出温度参数在不同时刻的变化速率情况，由结果可以看出，火灾时火源附近的温度测点输出变化速率均会有波动变化，但是在火灾初期幅值小于0.5℃/s而后期有所增大，幅值最大约为1℃/s;同时，火源在舱室中部时的温度导数幅值均要低于火源位于舱室角落时。

表1 各温度测点到达不同温度的时间Tab.1 Time at different temperatures for each temperature probe

图8 火源位于舱室角落时周围温度测点变化曲线一阶导数Fig.8 First derivative of ambient temperature changes when the fire source is located at the cabin corner

图9 火源位于舱室中部时周围温度测点变化曲线一阶导数Fig.9 First derivative of ambient temperature changes when the fire source is located in the cabin middle

图10 烟雾探测输出Fig.10 Output of the smoke detections

火源位于舱室角落和中部时各烟雾探测器的输出如图10所示。由图中可以看出，火源位于舱室角落时，距离火源位置较近的烟雾探测器S3和S4先检测到烟雾的变化开始上升，在火灾发生后近120 s减光率达到10%/m，近150 s时通风下游的测点S4达到20%/m，近200 s时达到近30%/m;火源位于舱室中部时，同样是距离火源位置较近的烟雾探测器S2和 S4先开始上升，但要在近150 s才达到10%/m，近200 s才达到20%/m，此时烟雾探测器输出的增长速率和幅值均要低于火源位于舱室角落靠近送风口一侧时。对于舱室内不同位置火源的火灾，即使是报警阈值为10%/m的一级灵敏度烟雾探测器也要120 s之后才能探测到火灾信号。

3 结语

利用数值方法对火源分别位于舱室角落靠近送风口一侧和舱室中部靠近回风口一侧时的慢速火灾热流场进行模拟，通过对舱室内火灾温度和烟雾参数结果的分析得到:

1)慢速火灾时温度和烟雾测点输出值均较小，短时间内不会达到通常的定温报警阈值，即使对于报警阈值为10%/m的一级灵敏度烟雾探测器也要至少在100 s后才能探测到火灾信号。

2)火灾时火源附近的温度探测器输出的变化速率均有波动变化，但在火灾初期变化幅值小于0.5℃/s，后期幅值最大约1℃/s。

3)火源靠近回风口一侧时，各测点的温度、温度变化速率和烟雾减光率均要小于火源位于靠近送风口一侧时，更不利于火灾的早期探测。

4)通风会影响火灾热流场在探测器所在高度的热烟气分布，靠近送风口一侧发生火灾时通风下游的火灾探测器更易受火灾的影响，而靠近回风口一侧的火灾热烟气先被限制在通风下游回风口一侧区域，后期沿着舱室边沿向通风上游逐渐扩散。

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