机械排烟控制航母机库火灾烟气运动大涡模拟

袁书生，朱旭程，邹　强，陈振林

（海军航空工程学院 飞行器工程系，山东　烟台 264001）

机械排烟控制航母机库火灾烟气运动大涡模拟

袁书生，朱旭程，邹强，陈振林

（海军航空工程学院 飞行器工程系，山东烟台 264001）

航母机库火灾是影响航母安全的重要因素。为研究航母机库火灾防护与控制技术，采用低速气流运动控制方程组和湍流燃烧大涡模拟方法仿真分析机械排烟条件下航母机库油料火灾的蔓延与烟气运动规律。结果表明：针对本算例机库几何尺寸和油池火规模，机械排烟量介于 300～600 m3/s，不仅会增高热烟气层高度、降低下层烟气温度，还会降低火源附近的热流密度；当机械排烟量不超过 600 m3/s 时，采用机械排烟对油池火蔓延的强化影响不显著；机械排烟使热烟气排出温度明显增加，选择风机需要考虑耐温要求。

航空母舰；机库；大涡模拟；油池火灾；机械排烟

0　引　言

航空母舰是以舰载机为主要作战武器的大型水面舰船，必须能为舰载机提供作战使用时所需要的安全、稳定和高效的平台，即具有较好的舰机适配性，航母机库作为舰载机维修保养最重要的舱室，许多工作要在这里完成［1］。航母机库火灾防护与控制技术是关乎载机生命力和战斗力、影响本舰安全的重要因素。

现代大型航母机库长约 210 m、宽约 30 m、高约 8 m，为了安全通常采用移动式防火门隔离开［2］。固体可燃物火灾、液体燃料火灾、电气火灾均可能在航母机库中发生，但主要是液体燃料火灾［3］。航母机库发生火灾后，其火灾动力学与建筑火灾基本一致，故建筑物的许多防灭火技术可以采用。不过，基于舰船生命力和战斗力的要求，对灭火时间及舰上设备低损坏性要求更高。为此，及时发现火源类型和位置，采取针对性灭火非常重要。而航母机库发生火灾后，由于排烟出口较小，热烟气在机库内将大量累积，机库内温度高、辐射强、能见度极低，能够有效地控制烟气运动、准确地判断火灾类型和位置就成了快速灭火的关键因素。

机库火灾发生后，热烟气将通过机库门上部自然排出，冷空气经过机库门下部卷吸进入，尽管新鲜空气的进入会强化火灾的蔓延，但是能够稀释库内烟气浓度，有利于提高能见度、降低下层烟气温度。理论上，若能增大机库火灾的烟气排出流量，就能有效地控制空气烟气在机库内的下沉，改善消防人员侦查火场的工作条件。

为研究航母机库火灾蔓延规律、探索快速灭火技术，本文应用低速气流运动控制方程组和湍流燃烧大涡模拟方法，对机械排烟条件下航母机库油料火灾蔓延和烟气运动进行数值模拟，研究此类火灾烟气控制手段对火灾蔓延和烟气运动具有的影响，对航母机库灭火技术的研究具有一定的参考意义。

1　大涡模拟控制方程组

对描述火灾蔓延与烟气运动的低速气体流动的湍流瞬时控制方程组应用盒式滤波器作 Favre 滤波运算，可得到大涡模拟的控制方程组为：

其中 τ，q 和 Js分别为亚格子湍流应力、热流通量和质量流通量。对它们分别采用 Deardorff 亚格子模型［4］和涡扩散模型进行模拟，并采用 Werner-Wengle 壁模型进行近壁区修正［5］。对湍流燃烧采用混合物分数模型模拟，对辐射传热采用有限体积法［6］模拟。

液体燃料发生火灾时，假设受外部加热在表面蒸发成为同组分的气态燃料，在空间与空气中的氧气混合燃烧。液体燃料表面温度达到沸点时，其表面上燃料蒸汽体积分数符合 Clausius-Clapeyron 关系式［7］：

式中：hv为液体燃料的蒸发潜热；Wf为燃料的分子量；Ts为液体燃料表面温度；Tb为液体燃料的沸点。

计算液体燃料温度时，不仅考虑燃料与空间火的对流换热，还计算它们的辐射热交换。为了简化，将池内的液体视为厚壁固体，采用一维双通量模型计算环境向液体内部的热辐射［7］，即仅考虑着火表面法向的导热，不考虑液体内的对流换热。

在交错网格系上将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，其中对流项则采用基于Superbee 通量限制器的 TVD 格式，扩散项则采用中心差分格式。

2　模拟对象与工况参数

本文选取图 l 所示的航母机库分区模型长 100.0 m，宽 33.0 m，高 7.6 m。该分区只有 1 个机库门，位于机库右侧壁中心，其宽高分别为 20.0 m 和 7.0 m。采用位于机库地板纵向中心线前端，长宽均为 10.0 m，深为2.0 cm 的液体庚烷代替飞机漏油，假设火灾发生后，可在机库门上部快速自动布置一机械排烟装置，排烟口宽与机库门相同，高为 1.5 m。计算时，假设起火 10 s后该机械排烟装置由火灾警报系统自动布置并启动。

图1　航母机库分区模型示意图Fig.1　Schematic model of aircraft garage zone

在计算域的开口表面上，如果法向速度分量指向域外，则各变量取为自由边界面条件，反之各变量则取为外界环境空气的参数。为模拟进口处的扰动，对速度边界条件加上随机噪声，并取随机噪声为均匀分布。

在各坐标方向上分别采用均匀网格划分，网格结点数目为 650×200×50。计算时间为 300.0 s，时间步长由 CFL 数确定。本文的计算采用大涡模拟软件FDS6.0 进行［8］。取环境温度为 20 °C。

为研究不同排烟流量对航母机库油料火灾蔓延及烟气运动影响的特点，计算工况分为 4 个，各工况参数如表1所示。

表1　各工况参数Tab.1　Parameters for working cases

3　结果分析与讨论

图2　不同工况下机库中心位置处烟气层高度随时间变化Fig.2　Height ariations of heat smoke layer at the center point of aircraft garage for simulated cases

图2 给出了自然排烟和不同机械排烟量下，机库中心位置（x=50 m，y=0）处烟气层高度随时间变化的模拟结果。从图中可以看到，自然排烟时，t=30 s之前，机库内火灾烟气层快速下降，之后较长一段时间内（到 t=300 s），烟气层高度基本维持不变。采用机械排烟措施后，当排烟量为 300 m3/s 和 450 m3/s，t=30 s 之前的机库内火灾烟气层下降的趋势与自然排烟时差别不大，当排烟量为 600 m3/s 时，烟气层下降过程变得缓慢一点，时间间隔增大到 t=0～50 s，并且在上述 3 个排烟量条件下，烟气层的最低高度有了一定的提高，显然这有利于灭火人员进入火灾现场并查找火源。由图2 还可看出，无论排烟量为 300 m3/s、450 m3/s 或 600 m3/s，在 t=50～200 s 期间，烟气层高度基本保持稳定，即该机械排烟量条件下，机库内油池火蔓延过程的烟气产生与排出，在此阶段达到了平衡。只有在 t=200 s 之后，烟气层高度随着时间才显著增高，排烟量越大，增高越快，出现这一结果的原因，实际上是火源燃料在 t=200 s 后接近燃烧完毕（见图3）。图3 给出了自然排烟和不同机械排烟量下，机库油池火灾释热率随时间变化的模拟结果。从图中看出，采取机械排烟装置，在加快了排烟速度的同时，增加了新鲜空气的补充，增大了火灾蔓延的趋势，但可以看出，在本算例的机械排烟量条件下，火蔓延的趋势增加并不大。

图4 给出了自然排烟和不同机械排烟量下，机库中心位置（x=50 m，y=0）处冷烟气温度随时间变化的模拟结果。由图看出，机械排烟显著地降低了机库内下层烟气的温度，显然有利于灭火人员的进入。

图5 给出了自然排烟和不同机械排烟量下，机库中心位置（x=50 m，y=0）处地面上热流密度随时间变化的模拟结果。从图中看出，与自然排烟方式比较，在门口机械排烟增大了机库中心位置处地面的热辐射，排烟量越大，增加的越多。这表明，采用门口布置机械排烟装置，增加了热烟气在机库内的蔓延速度，在火灾烟气离开顶棚射流起始点快速向门口方向运动，这样在机库上层热烟气的温度较自然排烟时要高，故机械排烟时整个机库地面的热辐射较自然排烟时分布趋于均匀，不利的是远离火源的地方热辐射增加，可能会造成机库内其他位置处的易燃物起火。尽管在机械排烟条件下靠近火源过程中，消防人员受到的热辐射会比自然排烟时要高，但是可能在火源附近的热辐射较自然排烟时要低，便于消防人员接近火源就近灭火。

图6 给出了自然排烟和不同机械排烟量下，机库首尾中心线上、距离火源中心 15 m（距前舱壁 20 m）处地面上热流密度随时间变化的模拟结果。从图中可看出，上述的猜测正确，即采取机械排烟后，火源附近地面接收到的热流密度比自然排烟时要低，且随着排烟量的增加，该热流密度下降的越多。

图3　不同工况下机库油池火灾释热率随时间变化Fig.3　Variations of the heat flux of the garage pool fire for simulated cases

图4　不同工况下机库中心位置处冷烟气温度随时间变化Fig.4　Variations of cooled smoke temperature at the center point of aircraft garage for simulated cases

为进一步分析机械排烟可能对灭火条件的影响，图7给出了自然排烟和不同机械排烟量下，t=10～200 s期间机库首尾垂直对称面上烟气平均温度分布的模拟结果。图7中结果表明，在上述机械排烟量下，机库内烟气温度的分层结构与自然排烟时相比没有大的不同。图8则给出了自然排烟和不同机械排烟量下，t=10～200 s 期间机库 z=1.65 m 水平面上烟气平均温度分布的模拟结果。从图8可看出，自然排烟时机库内烟气温度分布明显不对称，靠近火源一侧的高温区比远离火源一侧的要大许多。采取机械排烟后，由于机库门位于机库的首尾方向中间，在机库门附近很大的区域内，烟气温度分布接近对称，显然此时采用温度式探测装置不利于快速查找火源。

图5　不同工况下机库地面中心上热流密度随时间变化Fig.5　Variations of heat flux at center point of the garage floor

图6　不同工况下机库首尾中心线距离火源 15 m 地面上热流密度随时间变化Fig.6　Variations of heat flux at the point 15 m away from fire source on center line of the garage floor

图7　不同工况下机库艏艉垂直对称面上烟气平均温度分布Fig.7　Averaged smoke temperature contours in the longitudinal symmetrical plane of the garage

图8　不同工况下机库 z=1.65 m 水平面上烟气平均温度分布Fig.8　Averaged smoke temperature contours in the horizontal plane of the garage where z=1.65 m

图9　不同工况下机库门口垂直中心线上烟气温度平均分布Fig.9　Averaged smoke temperature distribution on the vertical center line of the garage door

为便于设计机械排烟装置，图9 给出了自然排烟和不同机械排烟量下，t=10～200 s 期间机库门口垂直中心线上烟气温度平均分布的模拟结果。从图中可看出，自然排烟时，机库门口上部热烟气平均最高温度约为 550 ℃，机械排烟量为 300 m3/s 时，该温度值约为 580 ℃，机械排烟量为 450 m3/s 时，该温度值约为600 ℃，当机械排烟量为 600 m3/s 时，该温度值则增大到约为 650 ℃。选择排烟风机叶片材料和电机防护结构、材料时需要满足耐温要求。

4　结　语

本文采用大涡模拟方法，在航母机库门口上部布置机械排烟装置、改变机械排烟量大小的条件下，对航母机库内油池火蔓延行为及火灾烟气运动进行研究，针对本机库几何尺寸和油池火规模，得到如下结论：

1）采用机械排烟，排烟量介于 300～600 m3/s 不仅会增高热烟气层高度、降低下层烟气温度，还会降低火源附近的热流密度，有利于灭火人员进入火场查找火源并手动快速灭火。

2）当机库门位于首尾方向中间位置时，机械排烟将导致机库门附近区域下层（1.65 m 高度）烟气温度分布趋于对称，不利于采用温度探测器查找火源位置。

3）当机械排烟量不超过 600 m3/s 时，采用机械排烟对油池火蔓延的强化影响不显著。

4）采用机械排烟措施后，机库门口上部热烟气温度有明显增加，设计风机需要满足耐温要求。

［1］王兵.美国航母的作用与发展［J］.现代舰船，2003（10）: 8-10.WANG Bing.The role and development of the United States aircraft carrier［J］.Modern Ships Magazine，2003（10）: 8-10.

［2］胡玉龙，黄胜，侯远杭，等.航空母舰机库主尺度要素设计方法［J］.上海交通大学，2012，46（8）: 1184-1189.HU Yu-yong，HUANG Sheng，HOU Yuan-hang，et al.Research on design of principal dimension elements of hangar in aircraft carrier［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2012，46（8）: 1184-1189.

［3］刘鹏翔，王兵.美国航母火灾历史及启示［J］.舰船科学技术，2010，32（9）: 133-139.LIU Peng-xiang，WANG Bing.History of US aircraft carriers fires and its revelation［J］.Ship Science and Technology，2010，32（9）: 133-139.

［4］DEARDORFF J W.Stratocumulus-capped mixed layers derived from a three-dimensional model［J］.Boundary-layer Meteorology，1980，18（4）: 495-527.

［5］WERNER H，WENGLE H.Large-eddy simulation of turbulent flow over and around a cube in a plate channel［C］//8th symposium on.turbulent shear flows.Berlin Heidelberg: Springer，1991: 155-168.

［6］RAITHBY G D，CHUI E H.A finite-volume method for predicting a radiant heat transfer in enclosures with participating media［J］.ASME Journal of Heat Transfer，1990，112（2）: 415-423.

［7］FLOYD J，FORNEY G，HOSTIKKA S，et al.Fire dynamics simulator（Version 6）-technical reference guide［M］.Washington，DC: NIST Special Publication 1018，2012.

［8］FLOYD J，FORNEY G，HOSTIKKA S，et al.Fire dynamics simulator （Version 6）-user's guide［M］.Washington，DC: NIST Special Publication 1019，2012.

Large eddy simulation of the control to fire-smoke motion in aircraft garage with a mechanical exhaust

YUAN Shu-sheng，ZHU Xu-cheng，ZOU Qiang，CHEN Zhen-lin
（Department of Aircraft Engineering，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

Fires in aircraft garage often pose great hazard to the safety of the aircraft carrier.In order to investigate fire protection and control methods，the control equations of low Mach air flow and the large eddy simulation method of turbulent flows are used to study the spread and the motion of smoke of pool fire in aircraft garage with a mechanical exhaust system.For the researched object，when the exhaust flux is between 300 m3/s and 600 m3/s，the height of heat smoke layer increases，the temperature of cool smoke layer decreases，and the heat flux close to the fire source decreases too.When the exhaust flux is less than 600 m3/s，the mechanical exhaust has little the spread of the pool fire in the garage.The mechanical exhaust elevates markedly the temperature of the exited smoke.Hence the choice of fanner must consider the capabilityof resistanceheat.

aircraft carrier；aircraft garage；large eddy simulation；pool fire；mechanical exhaust

U698.1；TJ8

A

1672-7619（2016）06-0141-06

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.06.029

2015-11-21；

2016-01-15

袁书生（1958-），男，博士，教授，主要从事空气动力学、燃烧理论方面的教学与科研工作。