典型电缆火灾条件下烟气运动规律的数值模拟

彭玉辉

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



典型电缆火灾条件下烟气运动规律的数值模拟

彭玉辉

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：采用火灾专业数值模拟软件，模拟船用狭长通道电缆火灾，揭示火灾条件下火灾烟气在电缆所在空间的迁移蔓延规律；在此基础上对火灾探测器在电缆火灾的适用性进行初步分析，旨在科学认识电缆火灾烟气迁移蔓延规律，合理选用电缆火灾探测装置，提高船用电缆火灾安全性。

关键词：火灾烟气；船用电缆；数值模拟；电缆火灾探测

现代化船舶自动化、智能化和复杂程度越来越高，各种电缆得到了广泛的应用。但是由于舰艇电气设备负荷大，电缆又长期工作在高温、高湿和高盐的环境下，老化严重，为故障多发部位，长期超负荷运行易发生火灾事故[1]。根据舰船消防“早期探测，快速灭火”的要求，火灾探测系统对抑制初期火灾并控制火灾的危害程度能起关键作用[2-3]。关于舰船、电缆火灾，有一系列研究工作[4-7]，但针对船用狭长通道结构内电缆在火灾条件下的烟气迁移蔓延规律研究较少。为此，从众多船用电缆的使用结构中选取狭长结构作为电缆火灾的研究载体，使用美国NIST开发的FDS(Fire Dynamics Simulator)场模拟计算软件对电缆火灾烟气运动进行模拟。

1数值建模

1.1数值模拟软件FDS简介

FDS通过数值方法求解 Navier-Stokes 方程，适用于计算低速、热驱动的流体流动和火灾导致的烟气流动和传热过程。关于FDS的验证和确认，美国国家标准与技术研究院(NIST)中FDS的开发人员使用ASTME1355中的模型验证技术，来保证FDS所给出的数值解有足够的精确。

1.2火灾场景描述

引燃电缆火源热释放速率的选择依据相关电缆线束实验结果，在辐射强度为30 kW/m2锥形量热仪上获得实验数据，见图1。

图1　相关单位面积热释放速率的实验数据

根据实验结果，选取较高单位面积热释放速率446 kW/m2以及较低单位面积的热释放速率90 kW/m2，结合模拟电缆尺寸：L×W=4.0 m×0.28 m=1.12 m2，模拟分别设定恒定热释放速率为0.1、0.5 MW火源引燃狭长通道内置电缆，模拟电缆受外部火源影响下的相关火灾特性。电缆所在狭长通道尺寸L×W×H=4.0 m×0.6 m×1.0 m；模拟电缆尺寸L×W×H=4.0 m×0.28 m×0.04 m。模型见图2。

图2　模型示意

数值计算的反应为乙烯燃烧反应；狭长通道两端设置为开放边界，其余处于封闭状态；电缆模型设置为塑料与铜的混合物；相关热物性参数：塑料，密度，1 500 kg/m3；比热容：1.5 kJ/(kg·K)；导热率,0.2 W/(m·K)；铜，密度8 940 kg/m3；比热容，0.38 kJ/(kg·K)；导热率，387 W/(m·K)。相关测点主要包括两套探测装置，分别探测模拟工况下电缆线束所在狭长空间内温度场，以及CO质量浓度场分布。其中CO质量浓度与温度测点探测位置重合。相关探测点布置见图3。

图3　模拟工况相关测点布置位置示意

2结果分析

2.1火源热释放速率0.1 MW

与释热相关的参数变化趋势见图4。

图4　与释热相关的参数变化趋势

由以上系列与释热相关参数变化曲线图可以看出，此工况下，电缆线束在模拟时间段内几乎没有发生火灾蔓延现象，见图5。

图5　中间位置各层热电偶温度变化趋势

由以上系列中间位置各层热电偶温度变化趋势可以看出：同一水平方向上，距离火源地点越近，温度越高。由于火灾烟气迁移蔓延过程沿程的壁面散热以及空气掺混影响，温度探点所测温度值逐渐降低。同时注意到各层在近火源位置测点测得相对波动较大的温度值，这主要是因为此区域位于火源处，火灾烟气与火焰交替占据上方空间，火灾烟气与火焰温度值得差异造成了上述波动现象。见图6。

图6　中间位置各层CO浓度变化趋势

由图6a)可以看出，在第1层水平位置，CO浓度基本一致；在第2、3层测点GAS0404、GAS04测得的CO浓度变化的现象可以解释为：由于火灾烟气受热浮力作用上升至撞击顶棚，继而在顶棚上方发生射流现象，卷吸下部空间冷空气，造成火灾烟气层厚度增加。同时，由于火灾烟气与火焰交替占据上方空间的现象造成GAS1004、GAS10测得的CO浓度值得波动。

图7　与释热相关参数变化趋势

2.2火源热释放速率0.5 MW

由以上与释热相关参数变化趋势图可知，从模拟工况下第300 s开始，热释放速率HRR有明显增加，这可以从图7b)看出主要原因——燃烧速率从第300 s开始有明显增加。这主要是因为恒定热源引燃电缆，加速电缆火蔓延所致，可以从下面的云图中看到此现象。见图8。

图8　模拟工况典型时刻3D Smoke云图

可以看出，在第300 s时刻，电缆线束有明显的燃烧加速蔓延迹象，燃烧速率从第300 s开始有明显增加。这也解释了从模拟过程第300 s开始，热释放速率HRR、辐射热损失速率以及对流热损失速率有明显增加的现象。说明在较大热释放速率火源情况下，如不采取适当的火灾抑制措施，将产生非常严重的后果。另一个值得注意的点是，自300 s时刻起，随着电缆线束燃烧的蔓延，电缆线束产烟量增大，继而火灾烟气开始取代撞击顶部的火焰占据电缆线束燃烧起点顶部位置。这也可以解释图9温度曲线的变化情况。

图9　中间位置各层热电偶温度变化趋势

由以上热电偶温度变化曲线图可知，各层布置的热电偶测得的值总的趋势是随着与燃烧起点距离的增加而减少的。但是同时注意到，在对应各层电缆线束燃烧起点顶部的温度较该层其他测点的温度有着明显不同的变化趋势。其主要原因如前述，在300 s时刻，随着电缆线束燃烧的蔓延，电缆线束产烟量增大，继而火灾烟气占据电缆线束燃烧起点顶部位置，而火灾烟气的温度较之火焰温度较小。所以，对应各层电缆线束燃烧起点顶部的温度在从第300 s开始，随着燃烧的加剧，温度反而有下降的趋势。见图10。

图10　中间位置各层CO质量浓度变化趋势

由以上中间位置各层CO质量浓度变化趋势图总结出：纵向方向，CO的变化趋势在电缆所在空间的上下部分存在几乎相反的特征；在电缆所在上部空间，随着距离起火点距离的增加，CO质量浓度越来越大，即距离电缆起火点远端的CO质量浓度较大。在电缆所在下部空间，随着距离起火点距离的增加，CO质量浓度越来越小，即在下部空间，距离电缆起火点近端的CO质量浓度较大。这种CO在电缆所在空间的分布特点对安装CO探测器有着重要的指导意义。

3结论

1)在引燃电缆的热释放速率相对较大时，0.1，0.5 MW电缆所在空间的温度场显示，电缆起火点上方温度出现较大波动，主要是因为此区域位于火源处，火灾烟气与火焰交替占据上方空间，火灾烟气与火焰温度值的差异造成了上述波动现象。这种现象为差温报警(即以温升速率报警)火灾探测器在电缆火灾探测上的应用提供理论支撑；

2)CO的生成被国内外专家、学者当成表征火灾发生的主要依据，因此CO火灾探测器在一些构筑空间有着广泛应用。但是上述数值模拟结果显示，CO在模拟区域存在着两种显著不同的分布规律，在电缆所在空间上部基本随着距离起火点距离的增加，CO质量浓度递减；而在下部却是随着距离起火点距离的增加，CO质量浓度递增。这种规律说明CO火灾探测器不能适用于狭长通道电缆火灾，否则极易造成火灾的误报。

参考文献

[1] 赵纯领.基于红外热像技术的船用电缆三维温度场仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2013.

[2] 祝佳琰，陈韬.舰船大空间场所火灾探测系统设计研究[C]∥第一届舰船综合损管技术研究学术会议，武汉，2012.12，中国舰船研究设计中心，2012：358-361.

[3] 曹琳.水面舰船火灾烟雾的控制和管理方法[J].中国舰船研究,2011,6(2)：84-87.

[4] 付强.典型电缆燃烧性能研究[D].合肥：中国科学技术大学,2012.

[5] 曹会.PVC/LDH电缆材料的火灾蔓延特性数值模拟[D].北京：首都经济贸易大学，2013.

[6] 丁宏军.电缆隧道火灾分析建模与线型感温火灾探测器研究[D].武汉：武汉理工大学,2013.

[7] 肖霞.潜艇机舱舱底火灾模拟研究[J].船海工程,2013(4):31-34.

Numerical Simulations for Spread and Migration Law of Smoke under Cable Fire Conditions

PENG Yu-hui

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The professional fire simulation software is used to explore the spread and migration law of smoke under fire conditions in the long-narrow channel. Based on the simulation results, a preliminary analysis of fire detectors on the application of the cable fire is conducted. All these works aimed to improve the fire safety level of the marine cables.

Key words:fire smoke; marine cables; numerical simulation; cable fire detectors

中图分类号：U698.4

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0065-05

第一作者简介：彭玉辉(1977-)，男，硕士，工程师E-mail:phust@163.com

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.018

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶消防