舰船起火舱室对邻舱的传热数值模拟

张光辉，夏子潮，晁小雨，浦金云

(海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)



舰船起火舱室对邻舱的传热数值模拟

张光辉，夏子潮，晁小雨，浦金云

(海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)

针对舰船火灾中起火舱室对相邻舱室的传热过程及临舱的温度分布问题，采用数值模拟方法，在合理假设的前提下，建立相邻舱室的热量传递模型，并采用FDS分析水平方向邻舱传热过程和竖直方向邻舱传热过程。模拟结果表明，起火舱室对邻舱传热以舱壁与热空气的对流和舱壁内部的热传导为主，邻舱中气体温度变化速度先快后慢，同一时刻，舱室内不同位置处温度变化差异较大，冷舱壁吸收的热流大部分来自于热舱壁的辐射热。

舰船；舱室；火灾；传热

火灾与爆炸是破坏舰船的主要原因之一[1]，近几年来，也有许多舰船在日常维修、训练中因起火而造成严重的经济损失甚至人员伤亡。因此，火灾消防工作已经成为了各国海军舰船损管的主要内容。

火源与周围环境间的传热过程是火灾科学研究的一个重要方向。在火灾发生闪燃后的5 min内，火灾就有可能向水平方向或竖直方向蔓延[2]，因此，发生火灾时，为防止火势扩散，减小火灾损失，需要尽快划分防烟边界与防火边界。目前，国外学者Cooper针对具有不同几何形状的舱室进行了火灾热量研究，发现有60%～90%的热量被舱壁吸收，当舱室具有较大的宽高比且顶棚较为水平时，舱壁接受的热量较少，当舱室宽高比较小且顶棚形状不规则时，舱壁接收的热量较多。White等建立了舱室火灾轰燃后向相邻舱室传热的瞬态非线性方程，通过牛顿迭代求解出理论值，比较了不同对流换热表面系数、气体黑度与实验结果的吻合情况，并发现热舱壁对冷舱壁的传热中热辐射占主导作用[3]。Ghojel以木垛火为火源，假设考虑了燃烧产物的辐射吸收率与辐射发射率，并通过建立能量守恒方程，计算了结构壁面的温升过程，并与实验结果进行了对比[4]。在舱壁结构材料传热方面，Kontogeorgos利用HTRAN代码计算了石膏与钢板复合结构在ISO834火灾中的传热与传质现象[5]。

总体而言，目前针对舰船火灾的研究大部分集中在单个舱室内的火灾发展及烟气流动方面，对相邻舱室间的传热研究较少。因此，考虑结合舰船舱室环境特性，研究舱室的传热机理，讨论舱室火灾轰燃后起火舱室气体及舱壁的传热过程和起火舱室对相邻舱室的传热过程及邻舱的温度分布，为解决舰船舱壁安全防护问题提供技术支撑。

1 邻舱传热过程分析

1.1 单舱室火灾能量守恒模型

根据能量守恒定律，火源释放的热量用于:

(1)

以煤油为例，燃烧热为40.3MJ/kg，蒸发潜热为0.857 40.3MJ/kg，因此，反馈到燃料用于蒸发的热量与热释放速率比值为

(2)

对单室火灾过程做出如下假设。

1)轰燃后舱室内上部分为热烟气，下部分为空气，即单室火灾的双区域模型。

2)舱壁整个内表面的传热系数相同。

3)忽略钢构件连接处和角落等产生的传热效应，认为舱壁边界为一维传热过程。

则气体吸收的热量为

(3)

式中：Vg,u为上方气体体积；cg,u为上方气体比热容；ρg,u为上方气体密度；Tg,u为上方气体温度；Vg,l为下方气体体积；cg,l为下方气体比热容；ρg,l为下方气体密度；Tg,l为下方气体温度；T∞为环境温度，即舱室内气体初始温度。

舱壁吸收热量为

(4)

式中：cp,w为舱壁比热容；A为舱壁内表面面积；δ为舱壁厚度；ρw为舱壁密度；Tw为舱壁温度。

1.2 邻舱传热模型

热流从起火舱室与邻舱间的舱壁传出，通过辐射、对流的方式对邻舱气体和舱壁进行传递。对邻舱传热过程做出以下假设。

1)邻舱为封闭舱室，舱室内压力恒定。

2)舱室内气体视为灰体，温度一致。

3)舱壁结构均为“热薄型”，其中与起火舱室相邻的舱壁称为热舱壁，其他5个壁面称为冷舱壁。

4)假定舱壁为灰体，以有效辐射J简化计算。

5)舱室内气体被舱壁完全包围，即视角系数Fh,g=1，Fc,g=1。

舱室的传热过程见图1。

舱室内辐射的辐射换热网络见图2。

根据基尔霍夫定律，流入每个节点Ji的热流之和为零，从而可以列出热壁面和冷壁面的有效辐射的方程[7]分别为

(5)

式中：Eh，Eg，Ec分别为热壁面、气体、冷壁面的辐射能。Ri相当于Ei与J之间的表面辐射热阻，分别计算如下。

(6)

舱室内气体吸收的热量主要有热壁面的对流热、热壁面的热辐射、冷壁面的热辐射，同时通过冷壁面的热对流散失热量。由邻舱气体压强不变假设，因此可近似认为气体的能量不变。可得气体的热平衡方程式。

(7)

式中：hcv,h→g和hcv,c→g分别为热壁面和冷壁面对气体的对流传导系数。

同理，可以根据能量守恒得到冷壁面的热平衡方程：

(8)

2 算例

建立舱室传热的CFD模型。假定火灾场景为起火舱室通过水平或竖直向相邻的舱室传热。根据相关模拟舱室实验和前述数值计算结果，将热源设定为2个舱室的交界舱壁，壁面材料为钢板。由于火灾中起火舱室的壁面温度上升速度远大于邻舱的舱室气体温度上升速度，因此假设交界舱壁为热源，初始温度为600 ℃，其他壁面初始温度为20 ℃。根据热源舱壁的位置，将邻舱传热分为水平方向传热和竖直方向传热2种情况[8-11]，具体见图3。

2.1 水平方向邻舱传热分析

在水平舱室传热模型中，舱室几何结构长、宽、高为3.0、3.0和2.4 m，在X-Z平面对称。为进一步量化研究温度在水平方向的分布，在Y=1.5 m，Z=1.0 m的平面上每隔0.2 m设置了热电偶。几个不同位置上热电偶温度随时间变化见图4～7。

由图4可见，水平方向上的热电偶总体趋势是在150 s左右达到温度最大值，随后逐渐下降，温度降低速率逐渐减慢，最后达到热平衡状态。

根据温度变化趋势，做出同一时刻不同位置上热电偶温度变化情况，如图5所示。由于已知温度变化先快后慢，因此对时间进行了不规则的取值，即先密后疏，讨论所选用的时刻分别为60 s、240 s、600 s、1 000 s、3 000 s和6 000 s。总体而言，热电偶与壁面距离为2.5m以内时，温度随着距离增大而减小，可近似为线性关系。当距离大于2.5 m时，由于舱室上方热空气遇到竖直壁面后逐渐沉降，因此距离热壁面越远，温度反而越高。但随着舱室内气体进一步混合，这种趋势随时间变化而逐渐减弱，最终在6 000 s时温度达到一致。

图6是作为热源的热壁面和其对面的冷壁面的温度变化图。从图6可见，两者变化都是先快后慢，热壁面在5 500 s以后逐渐趋于平缓，而冷壁面温度在3 500 s后也逐渐稳定。由图6气体温度变化可以知道，6 000 s时热壁面附近气体温度为62.5 ℃，仍与热壁面存在温度差，因此在热壁面处还会继续进行缓慢的对流换热。最终热壁面温度稳定在140 ℃，冷壁面温度稳定在51 ℃。

除了气体温度变化以外，舱壁接收的热流及形式也影响了舱室内冷舱壁温度的变化规律。与热舱壁(xmin)相对的竖直冷舱壁(xmax)接收的热流情况如图7所示。

冷舱壁的对流传热先增大，后逐渐降低，呈现出与空气温度变化相同的趋势，与对流换热的理论结算趋势相符。热辐射的下降速度先快后慢，与热壁面温度变化趋势相同，因此可以推断竖直冷壁面接收的热辐射大部分来自与热壁面，少量来自于热空气。在数量方面，热辐射最大为6.26 kW/m2，平均值为1.02 kW/m2，而对流热最大值为0.68 kW/m2，平均值为0.185 kW/m2，对流热仅为辐射热的10%左右，因此可进一步验证冷壁面主要依靠热辐射升温的推断。

2.2 竖直方向邻舱传热分析

在竖直方向传热模型中，所研究的目标舱室在起火舱室的正上方，即热舱壁为z=0 m平面上的壁面。

在竖直方向上，选取距离地面(z=0 m)处0.1 m、1.2 m、2.4 m的热电偶，其温度随时间变化如图8所示。

从图8中可以看出，距离热壁面越近，温度越高。3个位置的温度在170 s左右达到最大值，分别为211 ℃、180 ℃、163 ℃。随后温度开始下降，下降速率与水平舱室传热的空气变化规律相同，也是逐渐减小。

根据温度在竖直方向上的变化，做出60 s、240 s、600 s、1 000 s、3 000 s和6 000 s时距离地面不同位置处的热电偶温度变化，见图9。

t=60 s时曲线斜率最大，即各热电偶间的温度梯度最大。随着时间发展，各个热电偶间的温度差逐渐减小，最终趋于相等，6 000 s时温度稳定在80 ℃左右。

冷热舱壁温度的变化曲线见图10。可以看出，竖直方向舱室传热中冷热舱壁的温度变化与水平方向传热的变化规律相似，对热舱壁温度变化进行对数拟合，发现温度与时间之间的关系为

T=exp(a+bt+ct2)

(9)

取a=6.33 253，b=-4.093 91×10-4，c=3.159 29×10-8。

与热舱壁相对的冷舱壁接收热流变化见图11。

可以看出，热辐射最大为9.75 kW/m2，平均值1.58 kW/m2，而对流热最大值为1.13 kW/m2，平均值为0.281 kW/m2，辐射热流约为对流热的5倍。与水平方向舱室传热的结果相比，对流热所占比例增加。这主要是因为热源表面与其对立面在竖直方向上平行，空气对流时受到水平方向上的扰动小。因而冷热空气的动量在竖直方向上的分量较大，水平方向上的分量较小，加速了舱室内上下冷热空气的对流传热。同时根据传热系数的相关计算方法，水平壁面与竖直壁面的换热系数不同，即从理论上也可以得到解释。

3 结论

1)起火舱室对邻舱传热以舱壁与热空气的对流和舱壁内部的热传导为主。其中，舱壁内部热传导为一维导热问题，使用导热系数小的材料作为舱壁可以有效减小对邻舱的热效应。增大对流传热系数，施加水雾喷淋也可降低舱壁温度。

2)在邻舱中气体温度变化速度先快后慢，总体而言，距离热壁面越近，温度越高。

3)在同一时刻，舱室内不同位置处温度变化差异较大。当t=240时，温度梯度最明显。

4)在起火舱室相邻的舱室中，冷舱壁吸收的热流大部分来自于热舱壁的辐射热，仅有10%左右来自于对流热。热舱壁温度变化可以通过对数函数拟合，进而对温度变化进行预测。

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DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.003

Simulation of Heat Transfer of the Fire Compartment to the Adjacent Cabin in Ship

ZHANG Guang-hui, XIA Zi-chao, CHAO Xiao-yu, PU Jin-yun

(Power Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to study the heat transfer of the fire compartment of the ship to the adjacent cabin and the temperature distribution of the adjacent cabin, a model of heat transfer between adjacent compartments was established to simulate the heat transfer process in the horizontal and vertical direction of adjacent cabin respectively with FDS. The numerical results showed that the heat transfer of the fire compartment to the adjacent cabin is most about the heat convection between bulkhead and hot air and the heat conduction inside the bulkhead, the rate of temperature change in the adjacent cabin heat is rapidly at first and then slowly, at the same time, the cabin temperature at different locations are very different, the heat flux absorbed by the cold bulkhead comes mostly from the radiant heat of the thermal bulkhead.

ship; cabin; fire; heat transfer

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.002

2017-01-18

国家部委基金资助

张光辉(1979—)，男，博士，讲师

研究方向：舰艇安全技术与工程

U698.4；X928.1；TK121

A

1671-7953(2017)03-0006-05

修回日期：2017-03-02