竖直开口船舶舱室火灾烟气流动蔓延特性理论和仿真分析

丁立斌 程志刚

摘要：以竖直开口舱室船舶油池火灾为研究对象，在溢流烟气流动蔓延模型的基础上建立溢流烟气点源简化模型;采用火灾仿真软件FDS对舱室火场重构，对竖直开口处烟气流动特性以及邻舱内火场特性进行仿真分析，并在此基础上对点源简化模型的适用性进行仿真验证。

关键词：船舶舱室;计算和验证

船舶火灾以其高温、毒性和遮光性影响火灾救援和人员逃生，严重威胁船舶生命力。国内外学者对船舶腔室火灾开展了广泛研究，主要集中于腔室火灾燃烧特性和烟气填充规律。其中，毗邻舱室（通道）间的火灾烟气流动与蔓延相关研究仅涉及开口溢流烟气特性研究，并未考虑其对邻舱（通道）的影响。

本文以船舶竖直开口舱室火灾为例，研究起火舱对毗邻舱室的影响，进而为船舶火灾消防策略制定提供参考：（1）建立竖直开口舱室和邻舱烟气流动模型;（2）对开口溢流烟气流动特征进行建模分析;（3）对烟气流动蔓延模型的适用性进行仿真验证。

一、船舶舱室烟气填充过程

在竖直开口舱室中，火灾烟气在热浮力作用下通过羽流卷吸沿羽流中心线垂直向上，在顶棚下方形成烟羽流区域。随着热烟气的积聚，这一羽流区域在重力和压力作用下通过烟气沉降向舱室底部蔓延。当烟气层厚度位于竖直开口内时，火灾烟气在压差作用下以开口溢流的形式向邻舱蔓延，通过顶棚射流在邻舱内形成热烟羽流区域，如图1所示。

二、溢流烟气流动模型

在船舶舱室火灾中，开口溢流是火灾蔓延的基础，也是烟气扩散和火场温度的关键因素。因此，必须研究开口溢流烟气流动规律，分析其对舱室间烟气流动特性的影响。

（一）竖直开口烟气流动模型

本文采用国内外竖直开口溢流烟气流动模型对开口烟气特征参数进行理论建模：

（二）竖直开口点源简化模型

在舱室竖直开口处溢流烟气呈现明显的分层，上层为热烟气在开口处形成稳定烟羽流区，如图2所示。在池火虚点源假设的基础上，根据点源羽流模型：

三、理论计算和仿真验证

（一）开口舱室CFD仿真模型

选用直径为0.2m、0.4m、0.6m、0.8m和1.0m的油池火模型，火源位于标准舱室中心位置。采用t2火模拟实船庚烷油池火灾，火源特征参数根据标准设定（见表1）;参考网格划分标准                 （其中                                ），火源区、开口附近区域网格局部加密。仿真过程中环境参数设置为温度293K，压力1.0×105Pa，密度1.2kg/m3，，定压比热容1.0kJ/kg·k。

（二）CFD仿真结果分析

仿真过程中共布置了4支热电偶树，同支热电偶树上不同热电偶间隔0.1m。此外，在开口处布置了质量流探头对进出口气体流量进行测量，如图4所示。

（三）烟气流动参数对比分析

将烟气质量流率和烟气温升等进行计算并与仿真结果进行对比分析（如表2）可知：（1）竖直开口处烟气的质量流率和溫升的理论计算结果与仿真结果具有较大的一致性;（2）邻舱内顶棚最大温升理论计算结果与仿真结果在趋势上具有一致性。（3）在理论计算和仿真分析过程中开口附近顶棚区域温升均大于25℃，因此可通过在开口附近布置火灾温度探测装置进行火灾预警和火源舱识别，为火灾救援提供参考。

四、结语

本文在竖直开口船舶舱室火灾流动蔓延模型的基础上，建立了开口点源简化模型，并对这一模型进行了仿真验证。研究结果表明：

1.开口点源简化模型可应用于竖直开口火源舱附近舱室火灾危害性评估，能够直观反映溢流烟气流动蔓延规律;

2.邻舱内近火源舱区域受火源舱影响显著，因此，可通过有效布置火灾探测装置尤其是温度探测装置达到船舶火灾预警和火灾识别的目的。

此外，本文是通过火源热释放速率理论计算进行舱室火灾重构的，因此仍需开展相关课题的实验验证，对竖直开口舱室火灾烟气流动模型进行深入探讨分析。

参考文献：

霍然，胡源，李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.

朱秋红，蔡成涛，赵继伟.基于双层区域模型的舱室火灾模拟技术研究[J].系统仿真学报，2013，（03）：504-508.

马焱.船舶机舱火风险评估[M].天津大学，2007.

作者简介：丁立斌（1984—），男，工程师，主要研究方向：舰船火灾安全防护。