机械送排口布局对排烟效果影响的仿真分析

丁磊明，邱金水

(海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)

与陆上建筑不同，舰船因其易燃易爆物品集中、结构复杂、空间封闭等原因，烟气的蔓延速度和广度都远大于火场本身，极易在舰船内部空间快速蔓延，其危害程度也远大于火灾本身。有统计表明，约85%的受害者死于高温和有毒烟气[1]。舰船机舱是典型的密闭空间，由于输油管道中存在大量易燃液体，是容易引发火灾的危险区域。关于密闭空间火灾烟气特性的研究结果表明，火源正上方的温度、速度、压力和烟气浓度比周围的要高，压力最大值出现在机舱顶部，机舱上部的烟气平均浓度和温度明显高于下部的浓度和温度，指出进行封舱灭火需要选择时机，封舱过早或者过迟都会使火灾损失增大，此外封舱灭火时，尽可能不要提前开启舱门过早进入火场，防止产生回燃现象[2-6]。关于燃料种类、火源尺寸、通风速率以及风机配置等对排烟效果影响的研究结果表明，机械排烟系统虽然能提高机舱火灾的热释放速率，但能有效降低气体温度和烟气浓度，提高能见度，因此火场中机械排烟系统对于保护机舱内设备，帮助消防人员进行消防援救具有重要的意义[7]。考虑到不合理的送排风口设计会使烟气聚集在舱室某个角落，发生拥塞现象，特别针对6种常用的送排口布局，利用火灾动力学软件FDS对某机舱火灾排烟进行仿真模拟，探讨密闭大空间中送排口的合理布局，以期达到最佳排烟效果。

1 仿真模型设置

1.1 仿真工具

湍流大涡模拟算法(Fire Dynamics Simulator，FDS)的基本思想是将湍流瞬时运动分为大尺度涡和小尺度耗散过程，大尺度涡直接计算，而小尺度的耗散过程在亚网格尺度上模拟。

1.2 物理模型建立

根据某船机舱尺寸建立全尺寸模拟仿真平台，机舱长13.6 m、宽10.4 m、高9 m,见图1。

图1 不同形式的送排口布局

均匀排烟工况下，排烟口距顶棚0.4 m，最左侧排烟口中心距左侧舱壁1.8 m，6个排烟口间距2 m沿着顶棚中轴线依次排开，排烟口尺寸为1.2 m×1.2 m。送风口关于左侧舱壁中轴线对称布置，尺寸为2 m×2 m，送风口中心距地板高度3 m。

全面排烟工况下排烟口关于顶棚中轴线对称布置，距顶棚0.4 m，距右侧舱壁2 m，尺寸为2 m×2 m；送风口关于左侧舱壁中轴线对称布置，尺寸为2 m×2 m，送风口中心距地板高度3 m。

双排烟工况下排烟口距顶棚0.4 m，左侧排烟口中心距左侧舱壁3 m，右侧排烟口中心距右侧舱壁3.6 m；送风口位于前后两侧的舱壁上，每侧舱壁上有2个送风口，送风口中心距地板高度3 m，距左右舱壁分别为3 m和3.6 m；送风口和排烟口尺寸均为2 m×2 m。

独立排送、单排单送和双排双送工况下，送风口和排风口均关于均按照顶棚中轴线对称布置，尺寸均为2 m×2 m。

由于庚烷与柴油的物理性质相似，故在FDS中反应为庚烷火。火源的热释放速率(HRR)设置为6 MW/m2，达到此热释放速率所需时间设置为1 s。油池位于地板正中央，深度0.1 m、长宽均为1 m。2串分别由14个热电偶，CO浓度和烟气层高测量装置组成的探测设备分别位于沿地板中轴线X方向4.3 m和9.3 m处，分别记为1号测点和2号测点。其中CO浓度测量装置距地板高度1.5 m。

根据《高层建筑防火设计规范》，系统排风量选择120 000、150 000和180 000 m3/h，送风量为排烟量的60%。当排烟系统开始工作时，送风系统也同时工作。

1.3 网格尺寸精度分析

在FDS用户指南中，用D*/∂x来评估网格尺寸是否满足仿真精度要求。D*是特征火焰直径，∂x是单元格尺寸。McGrattan等建议D*/∂x的取值范围为4～16。根据取值范围计算出单元格尺寸取值范围为0.10～0.48 m。显然，单元格尺寸越小，仿真结果越准确，但同时也会增加大量的时间。本文计算500 kW火源功率下，比较0.1-0.4 m 4种不同的单元格尺寸垂直方向上火场温度分布，见图2。0.1 m和0.2 m的网格尺寸结果相似。

图2 不同网格尺寸下舱室垂直方向上温度分布

为了获得较为准确的结果，同时为了节约仿真时间，选择0.2 m作为本次模拟的网格尺寸。其中D*为

式中:Q为火源热释放速率,kW/m2；ρ∞为空气密度，取1.25 kg/m3；cp空气比定压热容，取1 kJ/(kg·K)；T∞为环境温度，K；g为重力加速度。

2 仿真结果与分析

实验给出了火场温度分布、烟气层高度和人眼特征高度处CO体积分数，用以讨论送排口布局对排烟效果的影响。

2.1 温度

不同工况下达到时均稳态时舱室平均温度沿高度的分布见图3。

图3 时均稳态时垂直方向上烟气平均温度分布的模拟结果

从1号热电偶串温度分布可以看出，靠近送风口侧人眼特征高度1.5 m高度处，下排上送的送排口布置方式比上排上送的布置方式能更好得降低火场温度。有分析表明，当火场温度超过66 ℃时，人员便难以忍受，同时该温度也会使火场内人员逃生行动迟缓。在均匀排烟、全面排烟况下，虽然靠近送风口一侧1.5 m处温度都能维持66 ℃以下，而后随着温度随着高度的增加迅速提高。但是处在送风口下风向处，温度随高度的变化影响较小，各测点温度都维持在150 ℃～200 ℃。而在双排烟工况下，由于两侧都有送风口，故在1.5 m处两侧温度均能保持在66 ℃以下，而后温度随着高度增高迅速提高。采用上排上送方法排烟时，机舱内温度都维持在100 ℃以上。采用独立排送方式进行通风排烟时，1号热电偶串上各测点温度变化幅度较大。

从图3可以看出，随着高度的增加，温度一开始变化较为平缓，当排烟量为120 000 m3/h时，测点高度高于4.5m时，温度开始大幅下降。随着排烟量的增加，温度开始大幅下降点逐渐升高，排烟量为150 000和180 000 m3/h对应的高度分别为5.5 m和6.5 m。单排单送工况下，靠近出风口侧温度随高度变化幅度不大，在送风口下风侧，温度随着高度的增加而降低。双排双送工况下，由于送排口左右两侧对称，故1号2号热单偶各测点温度相当，温度均高于100 ℃且随着高度的增加而增加。

2.2 CO体积分数

下送上排和上排上送送排口布置，不同工况下1号测点和2号测点CO浓度值见图4。

图4 舱室CO体积分数

由图4可见，在系统排烟量不变的情况下，送排口布置方式对火场CO体积分数有着显著影响。在送风口对称布置即采用双排烟方式和双排双送方式对火场进行通风排烟时，火场内CO气体可以维持在较低浓度，且1号、2号测点CO的体积分数大致相当。在其他送排方式下，1号、2号测点CO的体积分数相差较大。靠近送风口侧的测点即1号测点处CO的体积分数能降低到小于10%，而远离送风口的2号测点，CO浓度大幅增加，达到30%～50%。送风系统引入机舱的新风稀释了CO体积分数，但同时新风也与引起了机舱内气流的扰动，使得烟气在下风向聚集，这是单送风口工况下2号测点CO浓度高于1号测点的原因。

2.3 烟气层高度

1号测点和2号测点烟气层高度变化见图5。

图5 烟气层高度

由图5可见，1号测点处下送上排的排烟效率高于上排上送的排烟效率。在下送上排的布置方式下，采用均匀排烟和全面排烟方式时，排烟效率相当，且随着系统排烟量增大，烟气层高度随之增高，系统排烟量120 000 m3/h时，烟气层高度约为6 m，系统排烟量180 000 m3/h时，烟气层高度达到8.5 m。当采用双排烟方式排烟时，相较于均匀排烟和全面排烟，烟气层高度下降较大，且受系统排烟量影响较小。随着系统排烟量的增加，烟气层高度从3 m增加到4.1 m。在上排上送的布置方式下，根据排烟方式不同，1号测点烟气层高度变化较大。当采用独立方式进行排烟时，烟气层高度维持在6.5～7.5 m，采用双排双送排烟方式时，烟气层高度维持在3～4 m。当采用单排单送方式进行排烟时，烟气层下降到一个较低的高度，约0.7 m左右，这个高度低于人眼特征高度1.5 m，不利于人员疏散和逃生。值得注意的是，随着系统排烟量的增加，烟气层高度呈下降趋势。

在2号测点处，采用双排烟方式和双排双送方式排烟时，其烟气层高度与1号测点相当，均维持在3～4 m之间。均匀排烟和全面排烟工况下，所测得的烟气层高度相较于1号测点，烟气层高度下降了4～5 m，但都维持在人眼特征高度之上，即最低高度大于1.5 m。采用独立排送和单排单送方式排烟时，烟气层高度随系统排烟量的增大而减小，其中独立排送方式下，烟气层高度从3.9 m下降到2.4 m；在利用单排单送方式排烟时，烟气层高度高度从1.8 m降至1.0 m，当系统排烟量为180 000 m3/h时，烟气层高度低于人眼特征高度。

2.4 原因分析

不同送排口布置时舱室平面Y=5.2 m处速度矢量见图6。

图6 舱室内气流速度矢量

由图6可见,当送风口布置在舱室下部为时，补风气流能够加速热烟气向上运动，加上排烟系统能够加速烟气排出，降低火场温度和烟气体积分数，提高火场烟气层高度，对于火灾烟气控制有着积极的效果。但是，不管送风口布置在舱室上部还是下部，机械补风系统会影响烟气热羽流运动，造成烟气层紊乱。

在利用全面排烟方式进行排烟时，从送风口吹出的气流，使得火源上方火羽流的位置发生了较大的变化，在流入空气的驱动下，火羽流向2号测点方向偏离。从图6还可以看出，进入室内的新风，一边沿水平方向移动一边迅速下沉，直至被卷入火羽流之中，在到达右侧墙壁后，由于墙壁的阻挡和在浮力的作用下，火羽流向上运动至排烟口附近，随后排烟系统将烟气排出火场。在单送风口的工况下，由于气流的作用，使得烟气大部分聚集在远离出风口一测，即2号测点附近，这与图3给出的温度和烟气层高度分布是一致的。而利用双排烟方式进行排烟时，由于送风口左右对称布置且火源位于舱室正中央，故火羽流的位置未发生明显变化，保持在火源正上方，向上朝顶棚中心运动，故此时1号测点和2号测点处温度和烟气层高度相当。

当送风口在上方且送风口向下送风时，在利用独立排送和双排双送进行排烟时，水平向下运动的新风与周围的空气迅速混合，导致火场上部一部分空气向下运动，此时火羽流上升的过程中要克服这部分向下运动的气流，从而导致一部分烟气到达不了顶棚排烟口附近，大量烟气聚集在某一高度，导致烟气层高度较低，排烟系统排烟效率大大降低。在利用双排双送方式进行排烟时，由于送风口位于顶部水平送风，当火羽流到达顶棚后，位于顶棚处的送风口将烟气向下驱动至排烟口附近，排烟效率高于独立排送和单排单送工况。

3 结论

1)在下送上排方式布置下，补风气流能加速热烟气向上运动，加上排烟系统能够加速烟气排出，降低火场温度和烟气浓度，提高火场烟气层高度，对于火灾烟气控制有着积极的效果。但是，单送风口工况下，经送风口流出的新风使得火羽流位置发生较大的变化。从而使得在靠近送风口一测温度能够得到较好的控制，烟气层维持在较高的高度。但在远离送风口处，温度较高，烟气层高度有所下降。故在船舶设计时，可考虑将送风方向与人员疏散路径相反方向布置。

2)在上送上排方式布置下，送风口垂直向下送风，会使火场内气流向下运动，从而导致部分烟气不能到达顶棚排烟口附近，烟气在较低高度发生聚集，降低了系统排烟效率。

3)在双送风口工况下，与单送风口工况相比，火羽流位置未发生明显变化，且火源两侧温度和烟气层高度相差不大。

4)基于有利于人员疏散和方便灭火人员进入火场开展灭火作业考虑，双排烟方式排烟效果最好。此种方式下，可使火源两侧人眼特征高度处附近，温度均低于66 ℃，烟气层高度也可维持在有利于人员疏散的高度。