通风方式对大空间火灾吸气式烟雾探测效果的影响

肖霞，石芳菲

(中国船舶重工集团第七二六研究所，上海 201108)



通风方式对大空间火灾吸气式烟雾探测效果的影响

肖霞，石芳菲

(中国船舶重工集团第七二六研究所，上海 201108)

采用模拟仿真技术分析大空间发生火灾时，不同机械通风方式下，烟雾流动的特征规律，在一个防火分区内计算2种机械通风方式下探测响应时间。结果显示，侧面送风方式响应时间较顶上送风方式长，侧面送风对整个空间烟雾扩散影响较大，在侧面送风方式下，可以采用较小间距的采样孔布置方案，以提高探测效率，缩短响应时间。

大空间；机械通风；吸气式烟雾探测；响应时间

大型舰船内大空间不执行任务时，大空间往往没有人员值守，一旦设备漏油并发生火灾，对舰船安全将产生致命的影响。大空间内放置多项设备，遮挡现象严重[1]，为此采用主动吸气式感烟探测系统作为早期火灾探测报警的手段。吸气式感烟探测器以其早期快速探测的优势，非常适合安装在大空间场所，其中安装的吸气式火灾探测系统的具体设置要结合系统的设计规范，也要考虑该场所的通风系统的布置对其气流和烟雾蔓延的影响。全尺度火灾试验是研究火灾烟雾蔓延和探测效果最直接的方法，但是全尺寸火灾实验是一种毁坏性实验，实验成本很高，产生的烟雾毒气对人体和环境有害，且具有一定的危险性。为此，考虑采用FDS仿真软件分析通风气流影响下的烟雾流动特征，计算吸气式探测响应时间[2]。

1 设计仿真计算模型

仿真的空间结构模型为一个方空腔模型，模拟大空间某防火分区，模型尺寸设为长×宽×高=59 m×27 m×8 m。舰船大空间存在2种通风方式，上侧面送风，下侧面回风；顶上送风，下侧面回风。通风口均设有172个，送风口86个，回风口86个，根据实际换气速度，计算出风口风速均3.44 m/s，风口尺寸为0.25 m×0.25 m。见图1。

靠近中心位置设置一个小型油盘，模拟大空间初期火灾，油盘尺寸为0.25 m×0.25 m。采用稳定火源功率，为500 kW/m2，模拟计算时间为600 s[3]。根据《吸气式感烟探测器设计、施工及验收规范》(DB11/1026—2013)中相关规定进行设计探测系统布局，仿真模型中吸气式烟雾探测器布置见图2，其中黑色圆点为采样孔，黑线为采样管网，采样孔之间间距为8 m。

2 计算分析

2.1 大空间火灾烟雾蔓延特征研究

大空间火灾时，烟雾蔓延的驱动力有燃气的浮力、膨胀力及通风系统的影响等[4]。由于空间高大开阔，烟雾在气流影响下弥散过程中的降温效果明显，将造成烟雾运动速度更趋缓慢，也将增加烟雾从火源位置到达采样孔的时间，这些原因均将增加吸气式烟雾探测器的响应时间。因此，有效认识通风系统影响下烟雾蔓延的特征是烟雾探测设计的基础[5-6]。在采样孔高度即7.5 m高度计算烟雾浓度值。不同时刻采样孔高度的烟雾浓度分布见图3。

由图3可知，无论哪种通风方式，烟雾较难聚集，气流对烟雾稀释作用明显，而这种作用，在侧面送风方式下更为明显，在240 s时刻，大半空间弥漫有烟雾，而特定区域浓度相对较小，而顶上送风方式下烟雾相对较集中，在特定区域浓度上升明显，稀释作用较弱，利于探测[7]。

在顶上送风方式下，烟雾向上蔓延速度明显较快，到达采样孔时间较短，烟雾容易聚集，假设烟雾从同一位置采样孔传输至主机时间0相同，则在顶上通风方式时，探测效果明显较好。

4个探测主机探测到的烟雾浓度变化见图4。由图4可得，在火灾持续发生过程中，烟雾浓度呈现振荡趋势，数值上升较小，说明烟雾难以集聚。2种送风方式靠近火源的探测主机1均首先达到报警阈值0.2%obs/m，顶上送风方式下，探测主机3检测浓度也上升明显，由于顶上气流切断作用，烟雾向四周蔓延的趋势不明显，烟雾在主机1和3区域聚集，较易探测到火灾。在侧面送风方式下，探测主机3的检测浓度也随之略有变化，但由于侧面通风口的气流驱动作用，烟雾很快向四周蔓延，浓度降低，无法达到报警阈值。比较两者浓度变化趋势，烟雾在顶上送风方式下较易蔓延至探测器采样孔，并呈现局部聚集状态[8]。

2.2 吸气式烟雾探测报警响应时间计算和分析

吸气式烟雾探测器主要由气体采样管网和探测主机2部分组成，气体采样管上设置有采样孔，由于探测主机内吸气作用，管网内产生负压，形成一个稳定的气流。被保护区域内的空气样品入采样孔，被滤掉灰尘后进入激光探测腔。在探测腔内特定的位置上安装光源及接收器，激光源发出的光束照射到空气样品上，经三维成像将火灾凝团与水分子团、灰尘等粒子区分。如果样品中有烟雾凝团存在，光束将前向散射，散射光线经凹面反光镜反射到高灵敏度光接收器，所产生散射的强弱变化量接受测量后经过处理计算，并结合测得的散射光信号脉冲数，空气样品中的烟雾凝团量。这些数据经“人工神经网络”技术处理，对散的强度、角度、偏振等各参数综合分析，与预先设定的报警阈值比较，如雾浓度达到警报级别则发出警报。

检测吸气式烟雾探测系统的设计是否为最优，应对其响应时间进行计算，不同通风方式，同样的采样孔栅格大小，对探测器响应时间的影响进行仿真模拟计算，结果见表1。

表1 2种通风方式探测时间计算结果

计算结果显示，侧面送风报警响应时间较顶上送风长，侧面送风对整个空间烟雾扩散速度影响较大，由于大空间火灾烟雾在较短时间内向整个空间蔓延，在探测器内烟雾浓度难以上升达到报警值，因此，报警响应时间较长。在侧面送风方式下，可采用较密的采样孔栅格能有效缩短探测响应时间。在送风方式改变成侧面送风的情况下，可以采用较密的采样孔布置方案，或者调整探测器的灵敏度，以提高探测效率，缩短响应时间。

3 结论

1)无论何种通风方式，发生火灾时大空间内烟雾较难聚集，较难达到探测报警浓度阈值，采用较密的采样孔栅格能有效缩短探测响应时间，提高探测效率。

2)该模拟项目只针对通风系统产生的气流对探测效果的影响，其他遮挡、运动等因素的影响将在后续工作中不断完善。

[1] LEBLANE D. Fire environments typical of navy ships[D]. Worcester Polytechnic Institute，1998：19-22．

[2] McGRATTAN K, KLEIN B．Fire dynamics simulator(version 5)user’s guide[M]．National Institute of Standards and Technology，U.S. Department of Commerce，2008.

[3] McGRATTAN K， HOSTIKKA S. Fire dynamics simulator(Version 5) technical reference guide[M]．National institute of standards and technology.U．S．Department of Commerce，2008．

[4] 苏石川，王亮，聂宇宏，等.某船舶机舱火灾发展过程的数值模拟与策略分析[J].消防科学与技术.2009，28(1)：15-19．

[5] 范维澄，王清安，姜冯辉，等.火灾学简明教程[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1995．

[6] 陈国庆，陆守香，庄磊.船舶机舱油料火灾的发展过程研究[J].中图科学技术大学学报．2006，36(1)：91-95．

[7] 郑春生,船舶火灾及灭火救援的探讨[J]，消防科学与技术，2011(6):536-540.

The Influence of Ventilation Mode on Aspirating Smoke Detection for Large Space Fire

XIAO Xia, SHI Fang-fei

(No.726 Research Institute of China Shipbuilding Industrial Corporation, Shanghai 201108, China)

By modeling and simulation of the fire scenario for large space, the characteristics of smoke flow with different mechanical ventilation mode was analyzed, and the detection response times using two ventilation modes in the same fire compartment was calculated. Results demonstrated that the response time with sidewall air supply is longer than roof air supply, and the way of sidewall air supply plays an important role in the smoke spread in whole space, with which the smaller distance layout pattern of sampling aperture could be used to improve the detection efficiency and reduce the response time.

large space; mechanical ventilation; aspirating smoke detection; response time

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.020

2017-01-18

国家部委基金资助项目

肖霞(1985—)，女，硕士，工程师

研究方向：舰船火灾探测技术

U662

A

1671-7953(2017)03-0091-03

修回日期：2017-03-07