细水雾压制舰船机库地面油料火灾的大涡模拟

袁书生, 赵元立, 丁伟锋



细水雾压制舰船机库地面油料火灾的大涡模拟

袁书生, 赵元立, 丁伟锋

1引言

当前舰船大多装备直升机,不执行飞行任务时,直升机库往往没有人员值守,一旦飞机漏油并发生火灾,对舰船安全将产生致命的影响,为此使用者十分关注直升机库的防灭火。以往人们多采用哈龙灭火剂扑灭机库火灾,受到环境保护的制约,人们将目光又回到水灭火剂上[1]。水灭火剂不仅灭火效率高,还有一突出优点——无毒,特别适合有人员的灭火场合,即机械灭火和人员手动灭火可同时进行。传统的水柱灭火系统不适宜扑灭油池火灾,容易引起油池扬沸,可能反而会加速火蔓延,流到下层舱室的水还会引起电气系统的损坏,试验表明细水雾灭火技术在很大程度上可以克服这些不足[2,3],并满足高效、经济、安全灭火的总要求。

围绕细水雾扑灭油池火灾技术,已开展了一些实验研究[4,5]。但是,这些试验往往成本很高,且危险性极大。湍流大涡模拟方法具有信息量大、精度较高等突出优点,近年来在火灾研究中得到了越来越多的应用。本文针对细水雾-热烟气两相流动及相互作用的特点,采用水滴热蒸发模型及Euler-Lagrange两相流模拟策略,即将烟气运动采用Euler方法描述,将水滴的运动采用Lagrange方法跟踪,考虑两相之间质量、动量和能量的耦合,地面漏油燃烧采用液体表面蒸发与空间火蔓延相互作用模型,对水雾灭火条件下舰船直升机库内油池火灾烟气运动进行了大涡数值模拟,在此基础上研究水雾大小对灭火效果的影响。

2数学模型与数值求解方法

应用盒式滤波器,对描述水雾灭火的受限空间内火灾烟气运动的湍流瞬时控制方程组,作Favre滤波运算,得到的大涡模拟控制方程组:

(1)

(2)

(3)

(4)

水滴运动和蒸发分别表述为:

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

对亚格子湍流应力、热流通量和质量流通量分别采用Deardorff模型[6]和涡扩散模型[7]进行模拟,并采用Werner-Wengle壁模型进行近壁区修正[8]。对燃油燃烧采用表面蒸发模型[9]模拟,湍流燃烧采用多步反应的混合物分数模型[10]模拟,对辐射传热采用有限体积法[11]模拟。

在交错网格系上将上述大涡模拟控制方程组离散,时间上采用显式的二阶精度的预测-校正格式,空间上采用二阶精度的差分格式,对流项则采用基于Superbee通量限制器的TVD格式,扩散项则采用中心差分格式。建立压力的Poisson方程并采用FFT方法直接求解。

3模拟对象与工况参数

选取与无人员值守的实际机库接近的条件,对图1所示舰船直升机库模型内的漏油燃烧与空间火蔓延相互作用及细水雾灭火进行了大涡数值模拟。机库长14.5 m、宽11.5 m和高5.0 m,机库门高5.0 m、宽6.0 m。为了模拟无人值守状态的火蔓延与灭火行为,假设机库门关闭,但是在门的上下端各布置一个水平裂缝,长与门宽度相同,高为0.03 m,以考虑实际机库门的不密封效应。其地板、顶棚和各墙面均为钢板,厚度0.016 m。在机库中央布置了一尺寸大约10 m长、3 m宽、2 m高的模拟直升机,材料为0.016 m的钢板。采用位于机库地面中心、长宽均为5.0 m的液体庚烷油池火为火源,深0.02 m。在机库顶棚上均匀布置了35个细水雾灭火水喷头,灭火系统按照喷水强度为10.0 Lpm/m2设计,由此计算得到每一喷头的水流量为47.6 L/min,假设喷雾锥半角为50,喷头出口处水滴直径符合修正的Rosin-Rammler分布,水滴出口速度为5.0 m/s。当水滴运动遭遇到热固体壁面时,将在垂直固体表面上以0.5 m/s、在水平固体表面上以0.2 m/s的速度,随机给定的方向水平运动,边运动、边从壁面吸热、边蒸发。水喷头由温度传感器启动,触发温度为74 ℃。

在各坐标方向上均采用均匀网格划分,空间网格数为150×108×50。为了研究水雾尺寸对灭火效果的影响,选取水滴平均直径分别为100.0、300.0、500.0、700.0 μm的条件下进行了计算。计算的总时间取为300.0 s,时间步长由满足数值稳定性要求的CFL数确定。

本文采用火灾动力学模拟软件FDS6.0计算[12]。计算中,对墙壁、地板与顶棚采用厚壁假设。取环境温度为25 ℃。

图1　舰船直升机库示意图Fig.1　The sketch map of maritime helicopter garage

4结果与讨论

图2给出了细水雾灭火系统固定的水流流量、不同的水滴平均直径条件下,封闭的直升机机库内(门上下有一定的泄漏)地面漏油火灾释热率的模拟结果。由图2可以看出,无水雾灭火时,机库内油池火灾快速发展,在很短的时间内达到了最大释热速率,由于机库门关闭,火灾燃烧产物的流出和新鲜空气的进入受到限制,在最大释热率后,机库火灾进入了通风控制状态,释热率迅速下降,经历一段时间后,排烟和进风逐渐趋于平衡,释热率也趋于稳定,直到燃油烧尽。采用细水雾灭火后,与通风控制燃烧作用一起,火灾蔓延受到了显著压制,使释热率更快速地下降到非常低的水平。在细水雾灭火初期,所研究的四种水滴直径对火灾压制的影响基本上没有差异,只有在10 s到50 s之间,才表示出水滴直径越小,火灾压制效果越好的特点,75 s后在曲线上已经看不出水滴直径对灭火效果的影响。

图2　 细水雾灭火时不同水滴直径对火灾 释热率影响的计算结果Fig.2　 The calculated outcome to effect of different size water drop to heat release rate by use of mist fire extinguisher

为了说明上述火灾蔓延的特点,图3给出了t=20-25 s时上述五个工况下,机库内中心对称面上热烟气平均温度分布。由图3a看出,无水雾灭火时,火灾发生了20 s左右后,尽管机库门关闭,但由于机库门上下均有漏风口,新鲜风由下缝吸入,热烟气由上缝流出,加上进风口不大,进风量不多,机库内的氧气消耗快、补充慢,其烟气温度分布不再呈分层结构,机库门附近区域温度显著地高于远离门口的区域,即火焰区位于机库门附近。由图3b-3e看出,同样时间间隔内,机库内烟气温度明显下降,而且随着水雾水滴平均直径减小,温度下降越大。由图3b-3c还可以看出,当水滴平均直径为700和500微米时,机库上方出现了两个高温区域,一个位于机库中央偏前一些,另一个位于机库门附近,说明受到直升机机身和水雾灭火的联合作用,燃烧区被分割开。由图3d-3e则可以看出,当水滴平均直径为300和100微米时,仅有一个位于机库门附近的很小的局部高温区,温度也不大,说明受到细水雾灭火和供养不足的联合作用,燃烧区被挤到门上出口附近。

图3　t=20-25 s时机库内垂直对称面上烟气平均温度(Co)分布Fig.3　 The distribution of averaged gas temperature on the vertical symmetric plane of garage during t=20-25 s(Co)

图4和5分别给出给出了t=95-100 s时上述五个工况下,机库内中心对称面上热烟气平均温度和水滴质量平均浓度分布。由图4a看出,无水雾灭火时,火灾发生了95 s左右后,燃油蒸发、进风和排烟接近平衡,机库内出了火焰区外,其它地方烟气温度接近分层结构。由图4b-4e看出,采用细水雾灭火后在t=95 s左右,机库内烟气温度明显下降,而且随着水雾水滴平均直径的减小,烟气温度分布越不均匀,即热烟气区域在减小。由图5看出,火灾发生了95 s左右后,不同水雾水滴直径条件下,机库空间水滴浓度的分布不同。当水滴平均直径为700微米时,绝大部分水滴在机库上部区域内完成了蒸发;而水滴平均直径为500、300、100微米时,在机库前端有一部水滴滴落在机库地面上,随着水滴平均直径的减小,滴落的水量越大。通过图4可以解释这一现象,因为随着灭火水雾水滴平均直径越小,机库内前端烟气温度越低,显然水滴蒸发减弱。

图4　t=95-100 s时机库内垂直对称面上烟气平均温度(Co)分布Fig.4　 The distribution of averaged gas temperature on the vertical symmetric plane of garage during t=95-100 s(Co)

图5　t=95-100 s时机库内垂直对称面上水滴质量平均浓度(kg/m3)分布Fig.5　 The distribution of averaged mass concentration of water drop on the vertical symmetric plane of garage during t=95-100 s(kg/m3)

5结论

本文在保持灭火水流量不变,灭火水喷头在机库顶棚上均匀布置,对细水雾灭火条件下、封闭(部分泄漏)机库内以漏油为燃料的火灾蔓延与烟气运动进行了大涡模拟,得到以下结论:

(1) 在灭火初期,水滴的直径对火灾压制效果才有明显影响。

(2) 在机库存在泄漏的水雾灭火过程中,燃烧区将移动到门口(泄漏处)附近,均匀布置在顶棚的水喷头不能直接对准火焰区,影响灭火效果。

(3) 在本类型火灾灭火场景下,水滴直径过小时,短时间内就可能在地面上形成水积累。

参考文献:

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袁书生男(1963),河北武邑人,教授,博士生导师,主要研究方向为湍流燃烧实验与模拟研究。

赵元立(1960),山西河津人,教授,主要研究方向为装备安全。

(海军航空工程学院,山东 烟台264001)

摘要：采用燃油蒸发模型、空间火蔓延、烟气运动、水滴与热气体相互作用的大涡模拟方法,在保持灭火水流量不变,灭火水喷头在机库顶棚上均匀布置的细水雾灭火条件下,对封闭(部分泄漏)机库内漏油火灾蔓延与烟气运动进行了模拟研究,结果表明:只有在灭火初期,水滴直径对火灾压制效果才有明显影响。封闭机库存在泄漏的水雾灭火过程中,燃烧区将移动到泄漏附近,均匀布置在顶棚的水喷头不能直接对准火焰区,影响灭火效果。水滴直径过小时,短时间内就可能在地面上形成水积累。

关键词：舰船火灾; 油料火灾; 大涡模拟; 细水雾灭火

Large Eddy Simulation of Jet-Fuelled Pool Fires Extinguished with Mist in Helicopter Storerooms of ShipboardsYUANShusheng,ZHAOYuanli,DINGWeifeng

(Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai Shandong 264001,China)

Abstract：Under the condition of constant water flow and mist nozzles equably arranged on the ceiling,the model of fuel evaporation and the large eddy simulation method of space fire spread,fire smoke motion,and interaction between water droplet and heat gas are used to calculate the dynamics of jet-fuelled pool fire in a closed helicopter storeroom of shipboard with a mist fire extinguished system and with leaks.The diameter of water droplets may remarkably affect the deference of fires extinguished effect only during the first phase of fires.For the closed helicopter storeroom of shipboard with leaks,the flame will wove to the position of the leak mouth,the mist do not arrive the flame and the fires extinguished effect when mist nozzles are equably arranged on the ceiling.

Key words：helicopter storeroom fires; pool fires; large eddy simulation; water mist extinguishing

中图分类号：U 698.4

文献标识码：A