不同顶棚高度下船舶狭长通道细水雾灭火研究

2020-12-19苏石川耿珊珊曹佳斌

舰船科学技术 2020年11期

苏石川，陈露，王亮，穆鑫，耿珊珊，曹佳斌

(江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212003)

0 引言

近年来船舶火灾事故频发，据不完全统计，船舶火灾占海难事故总数的11%。我国港航系统平均每年发生船舶火灾事故约24 起，造成直接经济损失超过千万元[1]。由于船舶空间的有限性，狭长通道常见于船舱过道及船员起居室内。而现有文献[2 – 6]表明，狭长空间可造成火灾污染物的快速蔓延。同时，由于不同船型的需求，狭长通道可设有不同顶棚高度，但顶棚高度却对火灾顶棚射流的发展具有重要的影响。因此，不同顶棚高度的狭长通道影响了船舶火灾的发展及人员逃生，如何建立安全性强、效率性高的船舶通道灭火系统对船舶火灾安全工程具有重要的意义。

细水雾灭火因其具有无环境污染、灭火迅速、用水量少以及对保护对象破坏性较小的优点受到广泛青睐[7]，国内外学者对细水雾抑制火灾展开了大量的研究。Makoto Murakami 等[8]模拟了隧道细水雾幕对人员逃生的影响，认为细水雾幕可以抑制烟气蔓延，保证人们的视线范围有利于人员疏散。Horst Starke[9]实验研究了隧道内细水雾灭火，发现释放细水雾后，火焰热释放率迅速降低，隧道氧气浓度降到18%以下，火灾蔓延受到控制。Jianhe Zhao 等[10]模拟研究了细水雾粒径、雾化锥角、以及喷雾压力对船舶机舱火灾的抑制效果，发现雾滴直径在200～400 μm 之间效果较好，小雾化锥角、大喷雾压力可以增强火焰冷却。李梦[11]通过实验和数值模拟相结合的方法研究了细水雾技术在隧道中的应用，发现通风能有效降低火场温度、CO 浓度和热辐射强度，有利于阻止隧道火灾蔓延和保障火场安全。刘乃玲等[12]模拟研究细水雾对狭长空间的降温效果，发现喷入细水雾后空间内各断面的温度均有所降低，且喷雾量越大降温效果越明显。以上研究成果加深了人们对细水雾抑制狭长通道内火灾蔓延的理解，但上述研究对象较多局限于隧道狭长空间，这与船舶狭长通道在几何尺度、通风环境、结构特点等多方面存在不同点。因此，细水雾作用下的船舶狭长通道内的火灾发展规律仍需进一步研究。

本文针对不同顶棚高度的船舶狭长通道，运用大涡模拟技术，对细水雾作用下的火灾发展变化进行了数值模拟。通过对热释放率、氧气浓度、烟气层分区及温度场的分析，探讨细水雾抑制条件下狭长通道内火灾演变的特性。

1 模型建立

1.1 数学模型

火场中气体流动基本守恒方程如下：

质量守恒方程

组分守恒方程

动量守恒方程

能量守恒方程

理想气体状态方程

式中：ρ 为密度，kg/m3；为速度矢量，m/s；Di为组分i 的质量扩散系数；Yi为组分i 的质量相对浓度；W′′′为组分的反应速率，mol/（L·s）；p 为压力，Pa；g 为重力加速度，m/s2；为作用在流体上的外力，N；τ 为粘性力张量，N；h 为比焓，J/kg；k 为导热系数，W/（m·K）；R 为气体状态常数，值为8.314。

1.2 物理模型建立

图1 为某船舶典型T 型狭长通道结构图，横向通道长9 m，竖向通道长15.2 m，宽均为1.2 m。横向通道左侧口封闭，竖向通道出口均为自由通风。基于火灾动力学软件FDS，图2 为根据图1 结构图所建立的计算模型，该模型顶棚高度分别为1.8 m，2.6 m，3.4 m，4.3 m。细水雾喷头共9 个，位于顶棚中间下方0.1 m处（分布见图1），其相关参数如表1 所示。

本文模拟以正庚烷为燃料，油池体积为 0.4 m×0.4 m× 0.1 m，位于横向通道内喷头的正下方。正庚烷物性参数如表2 所示，根据文献[13]的方法可得最大热释放率为Q=800 kW。正庚烷燃烧60 s 时间后释放细水雾。

图1 某船舶典型T 型狭长通道结构图Fig.1 Typical T-shaped narrow passage structure diagram of a ship

表1 细水雾参数Tab.1 Water mist parameters

表2 正庚烷物性参数Tab.2 N-heptane physical parameters

1.3 网格划分

火源特征尺寸D*计算方法如下：

式中：Q 为火源功率，kW；ρ∞为环境空气密度，kg/m3；cp定压比热容，kJ/（kg·K）；T∞环境温度，K。

当庚烷燃烧时功率Q=800 kW，此时计算的特征尺寸D*为0.85 m。文献[14]认为当D*/δx 比值在4～16 时模拟精度较高，其中δx 为网格尺寸。对应计算所需网格尺寸范围为0.053～0.213 m，本文选取0.1 m 网格尺寸。

2 结果与分析

2.1 火焰热释放率及热辐射强度变化

图3（a）为不同顶棚下，火源热释放率随时间变化曲线。在燃烧初期燃料热释放率迅速增长到800 kW。自由燃烧工况下随着氧气消耗，热释放速率出现小范围波动直至燃料殆尽，燃烧速率降到0。释放细水雾后热释放速率迅速下降，在释放细水雾40 s 之后热释放速率基本降到稳定值。1.8 m 高通道释放细水雾之后热释放速率迅速降到60 kW 左右，火灾得到了很好的控制；随着顶棚高的增加，释放细水雾之后热释放速率降低量逐渐减少，火灾受到抑制但火焰并未熄灭而是以低燃烧速率燃烧。从顶棚高度为3.4 m 和4.3 m 通道热释放速率可以看出稳定后的热释放速率并不是一直随着高度的增加而增加，当高度增加到一定程度之后继续增大顶棚高度，热释放速率基本保持不变。图3（b）为释放细水雾对火焰热辐射强度的影响。可以看出，自由燃烧工况下热辐射强度一直维持在250 kW左右，在60 s 释放细水雾后热辐射强度大幅衰减。结合图3（a）可以看出，热辐射强度与热释放率变化相一致，在火焰热释放率降低的同时热辐射强度也随之减弱，且随着顶棚高度降低细水雾对火焰热辐射屏蔽效果越好。

图3 不同顶棚高度下细水雾对热释率及热辐射强度的影响Fig.3 Effect of water mist on heat release rate and heat radiation intensity under different ceiling heights

2.2 烟气浓度及其分层变化

1）烟气浓度变

图4（a）为不同顶棚高度下，横向通道内氧气浓度随时间变化关系。可以看出，随着燃烧开始，O2浓度逐渐下降。大约20 s 之后因燃烧稳定后通风量和耗氧量达到平衡，O2浓度趋于稳定。自由燃烧工况下O2浓度会维持在19%左右，直到燃料殆尽后O2浓度恢复到环境值。而在60 s 后释放细水雾，通道内O2浓度再次迅速下降，且随着通道高度的降低O2浓度趋于的稳定值越小，越有利于控制火灾。1.8 m 和2.6 m 高的通道，O2浓度已经降到14%，由于这时通道内的O2浓度较低而不足以支持燃料继续燃烧，可以认为火焰已将近熄灭。图4（b）为CO 随时间的变化曲线。自由燃烧时，O2浓度较高，燃烧比较充分，产生的CO 较少；施加细水雾之后，由于氧气浓度迅速降低使得火焰产生不完全燃烧，CO 浓度迅速增长，通道顶棚越低细水雾雾动量越大，对火焰的冲击作用越强烈，产生的CO 越多。

图4 横向通道内烟气浓度随时间变化关系Fig.4 The relationship between smoke concentration and time in the transverse passage

2）烟气层分区

图5 为不同顶棚高度下，烟气层分区随时间变化关系。烟气层分区是指通道上半层的高温烟气与下半层的常温气体之间相对位置。燃烧产生的高温烟气在浮力作用下向上运动，受顶棚阻挡后转向四周蔓延，一段时间后烟气会发生向下沉降；图5（a）显示自由燃烧工况下，大约60 s 之后烟气层趋于稳定。对比图5（a）和图5（b）可知，因横向通道是火灾发生区，通道内烟气层高度较竖向通道低。释放细水雾之后烟气层分区高度迅速上升到最高点，且随着通道顶棚高度增加烟气层分区高度也随之增加，细水雾对高温烟气起到了很好的冷却作用。因通道顶棚较高烟气运动过程中会有大量冷空气卷入导致3.4 m 和4.3 m 高通道烟气层产生较大波动。从图5（b）可以看出，2.6 m高通道烟气层高度已经达到1.8 m 以上，这时高温烟气主要集中在人们头顶上方，有利于火场人员疏散。由此可见，通道顶棚高度在2.6 m 以上能够减少高温烟气对人员疏散影响。

2.3 温度场分析

1）通道内温度变化

图6 （a）为各顶棚高度下T 型通道内1.5 m 处的温度变化。可以看出，1.8 m 高通道温度迅速升高到200 ℃，在释放细水雾后又很快下降到环境温度，而其他顶棚高度的通道在1.5 m 处的温度变化不明显。图6（b）为各顶棚高下通道顶棚温度的变化。可以看出，随着顶棚高度的降低，通道顶棚温度逐渐升高，且通道顶棚温度较通道1.5 m 处温度高。这是由于通道顶棚高度较低产生顶棚射流现象，燃烧剧烈导致温度升高，又因高温烟气层集中顶棚区域以致顶棚温度较其他区域高。释放细水雾后，低顶棚高度下水雾与环境温差较大，汽化剧烈，吸收热量多，1.8 m 和2.6 m 高通道冷却效果相对较好。

2）温度云图

图7 为不同顶棚高度下横向通道内，细水雾释放1 140 s 后温度分布云图。可以看出，通道内除火焰上方外，其余部分基本降到环境温度，释放细水雾有效的降低了通道内温度。1.8 m 高通道最高温度出现在燃料池表面约137 ℃，燃料池上方温度层较少且温度较低；2.6 m 高通道在细水雾作用下，最高温度区域偏移到燃料池右侧，通道顶棚位置出现部分高温区，且温度比1.8 m 高通道略有升高；3.4 m 和4.3 m 通道油池上方1.5 m 范围内温度较高，最高温度达400 ℃，这是由于高顶棚通道在细水雾作用下火焰仍能以低燃烧速率燃烧所致。故细水雾对低顶棚狭长通道的冷却效果更好。