舰船火灾中舱壁冷却过程及最佳冷却方法研究

浦金云,晁小雨,2，李 杰

(1.海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033；2.91604部队，山东 龙口 265700)



舰船火灾中舱壁冷却过程及最佳冷却方法研究

浦金云1,晁小雨1,2，李 杰1

(1.海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033；2.91604部队，山东 龙口 265700)

为了研究舰船火灾中喷淋对舱壁的冷却作用，利用FDS软件对喷淋过程进行了数值仿真，建立了喷淋对舱壁冷却效果的综合评估模型，然后采用层次分析法的思想计算了各个影响因子的权重，并对影响因子的指标进行了无量纲化处理。结果表明，喷头压力越大，冷却效果越明显，但当喷头压力超过0.1 MPa后，压力对冷却效果的影响减弱；当喷头与热壁面距离在0.3～1.0 m范围内时，距离对冷却效果影响较小;雾化夹角越大，冷却效果越好。综合考虑舱壁温度下降速度、舱壁最终温度、舱室气体温度、舱室内能见度、消防喷淋水流量5个因素，评估出最佳的冷却方案为喷头压力0.05 MPa、距离壁面0.6 m、喷头夹角0°～90°。

舰船火灾；喷淋冷却；层次分析法；影响因素；数值模拟

现代舰船机械设备密集，可燃物多且热值高，因此存在较高的火灾风险。据统计，在第二次世界大战期间，火灾与爆炸是破坏舰艇的主要原因之一。近几十年来，有许多舰艇在日常维修与训练中因起火而造成严重的经济损失甚至人员伤亡[1]。火灾产生的高温不仅对人员造成生命危害，还对舰船结构与设备具有潜在威胁[2]。对于舰船生命力而言，火灾后舰船结构可能发生的变化容易造成浸水、内部防护结构破坏等后果，不利于修复战时损伤、恢复生命力。通过水喷淋系统的冷却保护作用，钢制舱壁表面的水吸收大量热量、阻挡热辐射，可降低舱壁温度，从而减小钢材构件受到破坏的可能性，实现喷淋系统与舱壁结构在防火隔热中的优化组合，延长舱壁结构的耐火极限。但使用水枪进行冷却降温时还存在降低能见度、降低舰船稳性等问题[3]。

目前，已有学者对舰船舱室火灾的发展与防范有了一定的研究[4-7]。如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，发现热舱壁对冷舱壁的传热过程中，热辐射占主导作用[8]。MULHOLLAND等在对室内烟气填充过程的研究中发现，燃烧产生的热量大部分被舱室的壁面吸收[9]。COOPER针对具有不同几何形状的舱室进行了火灾热量研究，发现约60%～90%的热量被舱壁吸收[10]。ZHANG等从性能化防火的角度出发，讨论了不同火灾场景下钢结构的温度变化和基于不同理论模型的火焰温度变化[11]。然而，少有学者对舱室火灾轰燃后的室内温度分布进行研究，同时，对喷淋冷却舱壁的研究也不充分。因此，笔者以喷淋对舱壁的冷却作用为研究对象，并在考虑流量的基础上，讨论最有效的冷却方案。

1 数值模拟模型

1.1 问题描述

目前，大部分舰船舱室火灾在难以控制火势时，通常采用封舱灭火的方式控制火势发展，同时通过对舱室外壁喷淋降温的方式来防止火势蔓延。但在使用喷淋冷却降温的过程中，若水流量过大，则会增大舰船的自由液面，从而降低舰船稳性。同时还会产生更多的水蒸气，降低舱室内能见度。

在水平舱壁的传热过程中，消防人员需要对与起火舱室前、后、左、右4个方向上相邻舱室的公共壁面进行冷却喷淋。在顶棚竖直方向传热过程中，消防人员则需对起火舱室上方相邻舱室的地面进行喷淋冷却。在这种情况下，喷淋液滴在重力的作用下汇集到舱室地面，最终在地面上形成完整的水膜或水层，因此所需喷淋用水较少，喷淋方法及灭火战术相对简单。而在对竖直壁面的喷淋过程中，喷头的压力、位置等因素对洒水特性有较大影响，喷淋方法与消防战术相对复杂。因此，笔者选取水平舱壁传热及冷却过程进行研究。

1.2 火灾场景设置

1.2.1 热源设置

火灾场景为起火舱室通过水平方向向相邻舱室传热。热流从起火舱室与临舱的共同舱壁传出，通过辐射、对流的方式对临舱气体、舱壁进行传递。根据以往的模拟舱室实验，将热源设定为两个舱室的交界舱壁，壁面材料为钢板，厚度为5 mm，初始温度为600 ℃，其他壁面初始温度为20 ℃。舱室几何结构为3.0 m×3.0 m×2.4 m，在X-Z平面对称，FDS数值模拟模型如图1所示。

图1 FDS数值模拟模型

1.2.2 喷淋设置

为了研究洒水喷头在不同工作压力、不同安装位置及不同喷头夹角对自动喷水冷却系统冷却效果的影响，共进行了9次数值模拟试验，试验工况如表1所示。其中，喷雾夹角是指水雾从喷嘴中喷出形成的扇面夹角。

表1 实验工况设计

2 模拟计算结果与讨论

2.1 喷头压力对喷淋冷却效果影响

图2 不同压力下热壁面温度变化

在喷淋保护下，不同工作压力下热壁面温度变化如图2所示，可看出在不同的喷头工作压力下，热壁面的温度变化表现出较为明显的差异。总的变化趋势为：随着工作压力增大，壁面温度下降速度加快。喷头工作压力对冷却效果的影响可进一步归结为流量的影响。喷头工作压力与流量的计算公式为：

(1)

式中：q为喷头流量；K为喷头流量系数，笔者取常用的K-80型喷头，即K=80；p为喷头工作压力。则由式(1)可知，当喷头特性参数一定时，喷头压力越大，则喷头流量越大，单位时间内通过水流带走的热量可能也就越多。

不同压力下，距离热壁面0.1 m、1.5 m、2.9 m处的热电偶温度变化如图3所示，可以看出喷头工作压力对舱室内气体温度影响较大，具体表现为喷头压力越大，温度越低。在这3个位置处，均可发现当压力为0.10 MPa和0.20 MPa时，温度差异不大，与上述热壁面温度变化的趋势相同。

图3 不同压力下舱室内空气温度变化

2.2 喷头距离对喷淋冷却效果影响

在喷雾半径一定的条件下，喷头安装位置对目标物的冷却保护效果有较大影响。在喷头的最佳射程内，喷淋可形成粒径小且均匀的喷雾，从而在目标物表面形成完整且连续的水膜，具有较高的冷却保护效果。因此，保证喷淋在舱壁表面形成水膜的目标前提下，有必要对喷头和舱壁的水平距离进行一定限制。

喷头位置对热壁面的冷却效果如图4所示。当喷头与热壁面水平距离D为1.5 m时，与其他3个喷淋工况相比，热壁面的温度偏高50 ℃左右，而当喷头与热壁面水平距离分别为0.3 m、0.6 m、1.0 m时，温度曲线几乎重合，0.6 m处的温度略低于0.3 m与1.0 m处的温度。这说明当喷头与热壁面水平距离处于0.3～1.0 m范围内时，距离对冷却效果的影响较小。

图4 不同距离下热壁面温度变化

图5 不同距离下舱室内空气温度变化

不同距离下舱室内空气温度变化如图5所示，距离壁面0.1 m处，喷头布置在距离壁面0.3 m的位置时空气温度最高。这种现象可能是由于喷头距离壁面太近、造成大部分液滴飞溅所致。在距离壁面1.5 m处，即舱室中心位置，空气温度在100 s左右即开始下降；喷头距离壁面越远，空气温度越低。这主要是由于在高温环境下，喷淋液滴迅速蒸发吸热，喷头距离测点越近，液滴的体积分数越高，吸热降温作用越明显。在距离热壁面2.9 m处，仍能观察到相同的趋势，但喷头安装位置对温度的影响较小，4种喷淋状态下空气温度相近。

2.3 喷雾夹角对喷淋冷却效果影响

喷淋水雾的雾化角度是表征影响喷淋强度的特性之一，不同的喷淋夹角产生的雾场特性不同。不同夹角下热壁面温度变化如图6所示，可看出当雾化夹角θ为0°～90°时，与壁面具有最大的接触面积，因此冷却效果最好，温度下降最快，最终温度最低。而θ=0°～60°与θ=0°～45°两者在后期温度逐渐趋于一致。

图6 不同夹角下热壁面温度变化

当雾化夹角为0°～90°时，水滴能在热壁面上形成较为完整的覆盖水膜，因而空气温度下降最快。就冷却效果而言，0°～90°最佳，0°～60°次之，0°～45°温度下降最慢。不同夹角下舱室内空气温度变化如图7所示，可以看出雾化夹角越大，冷却效果越好。

图7 不同夹角下舱室内空气温度变化

3 冷却效果评估

3.1 基于层次分析法的指标因子权重计算

层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是美国运筹学家萨特于上世纪70年代提出的一种多目标决策方法[12]，具有将定性与定量相结合的优点，可以简单有效地分析复杂问题。首先通过对两两指标间的重要程度作比较判断，建立判断矩阵；然后通过计算矩阵的最大特征值和特征向量，可以得出不同方案重要性程度的权重，为最佳方案的选择提供依据[13]。

根据层次分析法的步骤，首先建立层次分析模型，即从舱壁温度下降速度V1、舱壁最终温度V2、舱室气体温度V3、舱室内能见度V4、消防喷淋水流量V5这5个方面建立冷却效果评估模型,然后利用层次分析法计算各指标的权重。根据专家评分，建立判断矩阵A。

该判断矩阵的一致性检验结果CR=0.048 6，符合一致性检验要求(CR≤0.100 0)。通过计算可知V1～V5的权重分别为0.438 8、0.163 2、0.092 5、0.074 6、0.230 9。

3.2 建立因子评估指标

根据层次分析法，将方案层的因子作为消防能力好坏的评估指标。由于不同的因子性能评估指标不同，因此需要建立一个通用的标准指标。鉴于准则层的各个因子都可通过仿真计算得到，因此可通过定量评估。此外，由于每个指标的量纲和特性不同，需要对指标进行无量纲处理[14]。总的来说，假设第i个指标的实际值为ti，该指标的标准值或经验最佳值为t，则对于以大为优的指标，其评估值Vi为ti/t；对于以小为优的指标，其评估值Vi为t/ti。则每种方案的最终冷却效果评估得分为：

(2)

3.2.1 舱壁温度下降速度定量指标V1

通过对舱壁温度的变化曲线进行拟合，得到形式为y=B·exp(-x/t)+y0的一阶指数衰减拟合，以及第j个工况下的拟合相关参数t1 j和y0 j。t1 j表示曲线的衰减速度，即温度的降低速度；y0 j表示曲线在纵轴上的截距，即温度的最终值。对无喷淋下的热壁面温度变化也作出对数拟合处理，拟合曲线的参数分别为y0=132.69、B=432.6、t=1 882.43。以无喷淋条件下的参数为基准，将温度降低速度指标V1定义为：

(3)

3.2.2 舱壁最终温度V2

同样地，以无喷淋条件下的参数为基准，将最终温度V2定义为：

(4)

3.2.3 舱室气体温度定量指标V3

根据JTTL中对连体式灭火防护装具的总体性能要求，在起火区、蒸汽区或其他烟气区区域着灭火防护装具时，当温度不超过150 ℃时，工作时间不少于8 min；温度不超过180 ℃时，工作时间不少于3 min。同时，根据人员进舱开展灭火和救援的温度极限[15]，将温度定量指标V2定义为距离热舱壁2.9 m处(即相当于舱门处)空气温度超过80 ℃的时间与无喷淋状态下空气温度超过80 ℃的时间之比，即：

(5)

3.2.4 舱室内能见度定量指标V4

在喷淋冷却过程中，液滴蒸发形成的蒸汽是火场区域外场所中降低能见度的主要因素。由于水蒸气对光具有吸收和散射作用，只有部分光能通过水蒸气，从而降低了能见度。在火灾科学中，能见度高低主要与烟气浓度有关。另外，由于舱室冷却模型密闭，不用考虑通风情况，因此在喷淋开始足够长时间后，各工况下水蒸气浓度均达到相近的极值。因此，选取舱室中前150 s水蒸气的浓度上升速率作为衡量能见度的指标。

3.2.5 消防喷淋水流量定量指标V5

根据流量与喷头压力关系计算公式，可得各个工况下喷头的流量。目前，用于舰船损管的移动排水泵的流量为12～20 L/min。在最不利情况下，取排水量t=12 L/min为水流量定量指标的标准值，以此表征舱室内的排水能力大小，即：

(6)

经计算后发现，由于每一项指标的物理意义和计算结果不同，指标系数两两比较相差较大。如假设指标V2与V4具有相同的权重，但由于V2与V4的指标值相差一个数量级，导致评估结果中V2实际的影响更大。因此，为了避免最终评估结果的失真，对每个指标值做进一步处理，将指标Vi j除以其系列中的最大值，将指标值控制在0～1之间，则指标V1～V5的计算结果如表2所示。

表2 指标计算结果

3.3 冷却效果综合评估

将上述结果代入式(2)，可得到各个工况下的最终冷却效果评分，如表3所示。

表3 冷却效果评估得分

由此可以看出，综合考虑各个评估因素后，工况2的得分最高，即当喷头压力为0.05 MPa、距离壁面0.6 m、喷头夹角为0°～90°时，综合冷却效果最佳，既能有效降低舱壁温度和舱室内空气温度，同时还能保持较高的能见度，水流量适量，不致产生过多舱内积水。另外，不同喷淋方案对比结果相差不明显，其综合评估值均在0.6～0.8之间。因此，若要进一步提高冷却效率，可以从选取大喷雾夹角喷头、增大移动排水层泵功率、适当增加喷头密度等方面入手。

4 结论

笔者首先通过火灾动力学软件FDS，建立了不同工况下的喷淋冷却模型，讨论了喷淋对舱室的冷却作用；然后以舱壁温度、舱室内空气温度为研究对象，比较了冷却效果；最后，以层次分析法的理论为基础，计算了各个判断指标的权重，并将指标进行无量纲化处理，得到了最佳冷却效果的方案，具体结论如下：①喷头工作压力、安装位置、喷淋夹角等参数均对冷却效果有一定影响。喷头压力越大，冷却效果越明显，但当喷头压力超过0.10 MPa后，压力对冷却效果的影响减弱；当喷头与热壁面的距离在0.3～1.0 m范围内时，距离对冷却效果影响较小；当雾化夹角为0°～90°时，水滴能在热壁面上形成较为完整的覆盖水膜，液滴与被保护的热壁面之间有最大的接触面积，当夹角减小到 0°～60°时，壁面边缘存在喷淋盲区，当夹角减小到0°～45°时，温度下降最慢。②通过从舱壁温度下降速度、舱壁最终温度、舱室气体温度、舱室内能见度、消防喷淋水流量5个方面建立冷却效果评估模型，计算得出当喷头压力为0.05 MPa、距离壁面0.6 m、喷头夹角0°～90°为最佳的冷却方案。

[1] 张光辉,浦金云,王京齐,等.舰船火灾危险源分析与辨识研究[J].舰船科学技术,2016,38(11)：165-173.

[2] ZHANG S, PU J Y, LI D Z. Research on field simulation application in warship cabin performance-based fire protection design[J]. Applied Mechanics & Materials, 2014(525):325-330.

[3] 王升国.舰船损管技术分析及损害对策探讨[D].大连：大连理工大学,2014.

[4] LEONARD J T, FULPER C R, DARWIN R L,et al. Post-flashover fires in simulated shipboard compartments-phase 1-small scale studies[R]. Washington, DC: Naval Research Lab,1991.

[5] UTISKUL Y, QUINTIERE J G, RANGWALA A S, et al. Compartment fire phenomena under limited ventilation[J]. Fire Safety Journal,2005,40(4):367-390.

[6] HAMINS A, JOHNSSON E, DONNELLY M, et al. Energy balance in a large compartment fire[J]. Fire Safety Journal,2008,43(3):180-188.

[7] GROSS D, DAVIS W D. Burning characteristics of combat ship compartments and vertical fire spread [R]. Washington, DC: Naval Research Lab,1988.

[8] WHITE D A, BEYLER C L, SCHEFFEY J L. Modeling the impact of post-flashover shipboard fires on adjacent spaces[J]. Journal of Fire Protection Engineering,1999,10(4):2-18.

[9] MULHOLLAND G, HANDA T, SUGAWA O, et al. Smoke filling in an enclosure[J]. Fire Science and Technology,1981,1(1):1-31.

[10] COOPER L Y. Compartment fire-generated environment and smoke filling in SFPE handbook of fire protection engineering[R]. New York :National Fire Protection Association,2002.

[11] ZHANG C, USMANI A. Heat transfer principles in thermal calculation of structures in fire[J]. Fire Safety Journal,2015(78):85-95.

[12] SATTY T L. The analytic hierarchy process[M].New York: McGraw Hill,1980:21-24.

[13] 张哲源,谢飞,张苗,等.基于改进层次分析法的液氨储罐安全分析[J].南开大学学报(自然科学版),2014,47(4)：6-13.

[14] 祝峰,鄢凯,安江波,等.舰船消防系统灭火性能综合权衡模型研究[J]消防科学与技术,2009,28(2):86-88.

[15] 任凯,杨立,浦金云.典型机舱火灾喷雾冷却效果数值仿真[J].海军工程大学学报,2010,26(5)：97-101.

PU Jinyun:Prof.; School of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China.

Research on Cooling of Fire Shipboard Compartment Boundaries and Optimum Cooling Application

PU Jinyun, CHAO Xiaoyu, LI Jie

In order to study the cooling effect of spray on bulkhead in shipboard fire, the spray process was numerically simulated by FDS. Then the comprehensive evaluation model of cooling effect is established, and the weight of each influencing factor is calculated by AHP method and the indicators of the impact factor were dimensionless. The results show that the cooling effect is more obvious when the nozzle pressure is higher, but when the nozzle pressure exceeds 0.1MPa, the effect of pressure on the cooling effect is weakened. When the distance between the nozzle and the hot wall is in the range of 0.3m ～ 1.0m, the distance has little effect on the cooling effect. Larger atomization angle represents better cooling effect. Considering the five factors of bulkhead temperature descending speed, bulkhead final temperature, cabin air temperature, cabin visibility and water consumption, the best cooling scheme is when nozzle pressure is 0.05MPa, located 0.6m from the bulkhead, and atomization angle is 0°～90°.

shipboard fires；spray cooling；analytic hierarchy process；influence factors；numerical simulation

2095-3852(2017)03-0259-06

A

2016-12-07.

浦金云(1961-)，男，江苏无锡人， 海军工程大学动力工程学院教授，博士，主要研究方向为舰船安全技术.

U673.4

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.03.004