顶部开口舱室火灾特性的数值模拟研究

陈利源，刘燕红，刘伯运，易祥烈

(海军工程大学动力工程学院，武汉 430033)

当前，船舶火灾的研究已经成为了船舶损管研究的关键性问题。作为燃料热解和燃烧过程中的主要产物，烟气是火灾事故中造成人员伤亡的主要元凶。据统计，火灾中有70%以上的伤亡都是由于烟气造成的，加之船舶材料的特殊性和空间的限制性，一旦发生火灾，火势将迅速蔓延，舱室内部的温度和烟气浓度都会迅速上升，在短时间内便可对人员安全构成威胁。船舶舱室通常是封闭的没有侧壁竖直开口的，因此起火舱室可抽象为一个仅具有顶部水平开口的特殊受限空间［1-2］。受限舱室的火灾具有多样性，并且船舶结构与普通建筑存在着根本上的差异，即使关于建筑火灾中烟气和温度特性的各方面研究目前已经取得了一定的成果，但是对于船舶火灾及火灾烟气的研究还处于初级阶段，因此研究船舶顶部开口舱室火灾烟气运动规律和温度特性对于火灾中人员的逃生和救援具有十分重要的意义。

对于船舶顶部有开口的舱室火灾，国外学者早期进行过大量的研究，成果丰硕［3-8］，而目前国内关于船舶顶部开口舱室火灾的研究开展的较少，主要是中国科技大学火灾科学国家重点实验室进行了初步研究。陈兵等［9］主要研究了顶部不同开口尺寸腔室中油池火灾的发展过程，李强等［1］主要研究了船舶顶部开口舱室火灾烟气的遮光性对人员逃生的影响，这些都主要是通过在1m3左右的铁箱子中实验分析所得出的结论，但是由于一般舱室实际要比这大得多，情况也复杂得多，而火灾的发展受众多因素的影响，烟气与温度的变化又极其敏感，往往初始条件的微变就能对结果造成根本的改变，因此实际情况与实验结论必存在差异。又由于实际舱室体积太大，实时实验成本太高，因此本文的研究目的是应用相关理论，建立仿真模型，对船舶顶部开口舱室火灾的烟气温度特性进行数值分析，得出烟气运动规律和顶棚热烟气蔓延过程，对实际舱室火灾情况提供理论参考。

1 火灾场景设置及FDS 建模

本文主要运用FDS 软件建模仿真运算［10］，仿真模型设定为4 m×3 m×2 m 大小的舱室，舱壁为厚度0.005 m 的钢板，将整个模型划分为40 ×30 ×20 的网格，则网格尺寸为10 cm;为了减少模型边界对开口处的影响，将舱室向顶部方向延伸1 m，并将其顶部设为开式边界。顶部开口设定为1 m×1 m 大小紧贴墙壁且靠近另一侧墙壁0.5 m 处;在舱室正中间放置大小为0.6 m×0.6 m×0.1 m 的油盆，假设油盆内装满燃料，为了保证计算精度，在油盆周围1 m ×1 m ×2 m的空间内再建立一个子网格，并将其划分为20 ×20 ×40 的网格，则网格尺寸为5 c m。在油盆右下角设置一个0.05 m×0.05 m 大小热释放速率为500 kW/m2的点火源，为了不影响试验结果，设置其燃烧0.4 s 点燃油盆后自动消失。在火源正上方0.5 m、1 m、1.5 m 高处设置温度探测点，并在距火源1.5 m 高以火源为中心左右对称0.5 m、1 m 处设置探测点，探测烟气温度变化，模拟烟气运动规律。在火源四周对称位置设置层次分区，探测烟气高度变化，得出烟气沉降时间。同时在顶部开口正中间下方0.5 m 即1.5 m 高处设置温度探头，探测烟气温度变化，对比得出人员逃生的有效时间。具体布置如图1 所示。

由于船上火灾类型多为油火(柴油火)，而庚烷的燃烧性质与柴油最为接近，因此设定燃烧燃料为正庚烷，其相对分子量为Mg=100，密度ρ =684 kg/m3，比热容Q =2.33 kJ/(kg·k)，沸点Tboil=98.5 ℃，导热系数λ=0.14 W/(m·k)，燃烧热hc=44.6 kJ/g，汽化热hq=316 kJ/kg。

图1 顶部开口舱室的FDS 模型

燃料的燃烧并不是无止尽的，因此还要考虑火焰熄灭的情况。一般燃烧反应无法继续进行有四方面的原因，分别对应燃烧条件的四面体理论。四面体的4 个面代表了燃烧的4个基本条件，即可燃物、氧化剂、温度和未受抑制的链式反应。一般灭火原理就是破坏燃烧四面体。此条件下则只需考虑可燃物和氧化剂。一方面由于油盆大小一定，内装燃料的量一定，当燃料燃烧完时，燃烧反应终止则火焰熄灭;另一方面，由于顶部开口舱室火灾属于特殊受限空间燃烧，开口会影响室内通风，从而影响室内的氧气浓度。燃料燃烧需要消耗氧气，而开口的存在会向室内流通空气补充燃烧消耗的氧气，实验证明氧气补充的速率要小于氧气消耗的速率，因此室内氧气浓度持续降低到一定值时火焰就会熄灭。一般碳氢化合物在氧气浓度低于15%时有焰燃烧不能进行，低于8%时无焰燃烧不能进行［11］，因此初始条件设置氧气浓度低于15%时燃烧熄灭，环境温度为20oC，相对湿度为80%，开口处设为自然通风。

2 火灾模型的理论分析

受限舱室火灾是一个复杂的燃烧过程，涉及到流体动力学、传热学和燃烧学的相关理论。火焰燃烧后，热诱导下的浮力作用会使流场表现出分层流动的特征，强大的浮力能控制火灾中气体的流动。湍流和压力作用会使周围的空气混合(卷吸)到火羽流中，动量和热浮力产生的薄层顶棚射流会冲击顶棚，一部分烟气与热量会随着顶部开口逸散出去，但仍有大量热烟气聚集在舱室内，表现出不同的流动特性与热效应［12］。

2.1 基本控制方程

在船舶顶部开口舱室火灾过程中，由于特殊受限空间内火焰燃烧具有特殊性和多样性，火苗的变化和烟气的流动是一个复杂的过程，但仍然遵守守恒定律。现假设气体为理想气体，取整个舱室作为控制体来分析火灾过程，热烟气与冷空气通过水平开口的质量流量与密度差和压力差有关，忽略火苗的扰动影响［13］。

火灾条件下的流场和浓度场的基本方程如下:

连续方程

组分守恒方程

能量守恒方程

动量守恒方程

理想气体状态方程

2.2 燃烧模型

本研究采用大涡模拟的混合分数燃烧模型。该模型中假设反应无限快速，即反应中燃料与氧气一旦混合则立即发生燃烧［14］。

此时引入混合分数Z 为

混合分数Z 也满足以下的守恒方程

可以得出O2的组分数Y0与混合分数Z 的关系

由式(7)、式(8)可以推出燃料的热释放率。

3 结果与分析

3.1 热释放速率和质量燃烧速率

对于室内燃烧，影响热释放速率和质量燃烧速率的有2点因素:一是顶棚热烟气对燃烧表面进行的热反馈;二是室内氧气浓度的降低限制了燃料燃烧。图2 显示了火焰燃烧时的热释放速率和质量燃烧速率，从图2 中可以看出，燃烧在10 s 时达到最大，最大HRR 为5 000 kW，最高质量燃烧速率为0.22 kg/s。对于实际试验时，这个燃烧速率和放热量都是偏大的，因为本文采用的是FDS 中的混合分数燃烧模型，无限快速的燃烧反应使得燃烧速率会比实际值大，室内温度偏高，热烟气层厚度增加，影响燃烧的热释放速率大小。

图2 热释放速率和质量燃烧速率

3.2 热辐射、热对流和热传导的热损失量

火灾发生、发展的整个过程始终伴随着热量的传播。除了与火焰直接接触外，热传播还有热辐射、热对流和热传导3种方式。对于本文中的情况，主要是火焰对四周的辐射热，热烟气与顶棚、舱壁的对流换热，热烟气从顶部开口流出舱室时带走的热量，对舱壁的热传导和舱壁对周围环境的对流换热。图3 分别显示了热辐射、热对流和热传导的热损失曲线，从图3 中可以看出，热量的损失是热传导＞热辐射＞热对流。即大部分热量都被舱壁吸收，因此一旦舱室内发生火灾，一定要注意舱壁的降温。

图3 热辐射、热对流和热传导的热损失量

3.3 热电偶的温度变化

火场中最直观最有效的测量参数就是温度。通过对温度变化的分析，可以推测出火焰的发展情况以及烟气的运动规律等。图4 中显示了各个热电偶测量的温度变化情况。可以看出，在油池正上方，当火苗燃烧后，热电偶自上往下逐渐升温，上方热电偶升温速度比下方的快，温度也较高;当火焰熄灭后，上方热电偶的降温速度也比下方快，下降幅度更大。而在同一高度平面上即使是相互对称点的温度变化也是不同的。根据图4 中曲线可以看出，靠近开口一侧的温度更高，变化更快。

而通过对开口处温度变化的测量，可以推算人员逃生和救援的最佳时间段，避免伤亡。从图4 中可以看出开口处温度在火焰燃烧后会迅速上升，在短时间内达到700℃的高温，给人员的逃生和救援带来极大的困难。因此人员逃生时必须尽可能地做好防护措施，减少高温对人体的影响，救援人员也应穿好防火服等服装才能进入舱室内部。

3.4 烟气运动情况

火灾发生时产生的烟气往往是逃生和救援时的最大问题。烟气的运动方向通常又可以代表火势的发展方向，因此对于火灾烟气的研究是不可避免的。图5 显示了舱室内烟气高度变化情况。由图可知，舰艇舱室发生火灾时，室内气体的温度不均密度不均产生的浮力效应会使热烟气竖直上升，当其受到顶棚阻挡后，将形成水平流动的顶棚射流。烟气在顶部水平流动时会通过顶部开口逸散出一部分到外界与外界产生热量交换和质量交换;室内的烟气则与封闭舱室火灾烟气运动情况相仿，由顶部慢慢向下沉降填充，直到充满整个舱室。根据观察开口对烟气的沉降也有影响，没有开口一侧的烟气明显比有开口一侧的沉降速度快，更先到达地面。

图4 热电偶的温度变化曲线

图5 舱室内烟气层高度变化情况

3.5 顶部开口处的热量交换和质量交换曲线

图6中显示了顶部开口处的热量交换和质量交换曲线。根据观察可以看出火苗燃烧时与熄灭后所表现出来的曲线完全不同。当火苗燃烧时，热量交换曲线波动大，随着火势的增大热交换值也增大，燃烧达到峰值时的热交换量也达到最大，随后会逐渐下降直到火焰熄灭时会降到最低;此时质量交换量完全为正，说明只有热烟气向外逸散，外界的冷空气不会进入舱室内，且烟气流出的量也与火势的大小有关，火焰大时烟气流出的量多，火焰小时烟气流出的量少。当火苗熄灭后，热交换曲线波动小但变化速度快，热量逸散的量基本处于平衡，与时间的变化关系不大;而质量交换曲线则在零点上下波动，说明此时不仅是烟气往外逸散，冷空气也会向室内流动，两者交换的量相差不大。

图6 顶部开口处的热量交换和质量交换曲线

3.6 氧气的体积分数变化

图7显示了火焰上方氧气的体积分数变化，由图可以分析出火焰燃烧后氧气浓度急剧下降，很快就降到8%以下，此时氧气浓度不支持继续燃烧，因此火焰“缺氧熄灭”。

火焰燃烧过程中，氧气的浓度首先急剧下降，然后会上下波动，这是由于舱室内上层冷空气在烟气的作用下向下运动，可以对燃烧处的氧气进行补充，使燃烧反应继续进行，又根据图7 可以知道火焰燃烧时只有烟气向外逸散，外界冷空气不能流入舱室内，因此舱室内氧气消耗后不能补充，直到舱室内氧气消耗到一定程度不能供应燃烧则燃烧反应终止火焰熄灭。

图7 氧气的体积分数变化曲线

4 结论

1)通过FDS 软件对顶部开口舱室火灾进行模拟分析，研究了舱室内火灾温度分布特性和烟气运动规律，在船舶顶部开口舱室火灾中，温度在同一水平面内的大小不一样，靠近顶部开口一侧的温度明显比没有开口一侧的温度高，这与封闭舱室火灾温度分布情况不同，不能单纯认为同一平面内气体温度一致。

2)在船舶顶部开口舱室火灾中，烟气首先向上运动直冲顶棚，受到阻挡后向四周散开传播，遇到开口后一部分烟气通过顶部开口逸散到外界，剩下的则继续堆积，并慢慢向下填充直到舱室整个内部空间都充满烟气，此时开口处的烟气会一直向外扩散。

3)在船舶顶部开口舱室火灾中，当火焰燃烧时会源源不断的产生烟气，室内温度升高，舱室内产生正压，只有烟气向外逸散，外界的冷空气无法沿着开口进入舱室内，舱室内氧气得不到补充，浓度一直下降，直到降到一定值不能支持燃烧，火焰熄灭，此时火焰为“缺氧熄灭”。直到火焰熄灭后外界冷空气才能与烟气发生对流交换流入舱室，室内氧气浓度缓慢上升。但由于氧气在空气中所占的浓度本就不大，而且这种对流交换的速度也受到开口大小的限制，因此火苗熄灭后氧气的体积分数上升的速度并不快，需要较长的时间才能使氧气的浓度恢复到15%以上。

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