大型邮轮高大空间火灾特性研究

2022-06-14杨万里宋振森

计算机仿真 2022年5期

杨万里，宋振森，2

(1. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2. 上海市公共建筑和基础设施数字化运维重点实验室，上海 200240)

1 引言

据《邮轮绿皮书中国邮轮产业发展报告 (2017) 》[1]指出， 2016年中国已成为全球第二大邮轮市场。邮轮空间拥挤，人员密集，可燃物众多，具有很大的火灾风险，国内外多起邮轮火灾事故给敲响了警钟。航行在大海上的大型邮轮，一旦发生火灾，不仅造成严重经济损失而且疏散救援难度巨大；而消防系统的误报，不但会消耗有限的消防资源，同样会造成大量的财产损失。研究邮轮的火灾特性，对邮轮人员疏散和合理设置火灾探测系统，是很有必要的。

目前国内外对邮轮火灾基本规律的研究位置上主要着眼于在邮轮的住舱区：如李文勇，熊军研究了机械排烟对邮轮火灾烟气发展的影响，优化了邮轮排烟系统设计[2]；程枫研究了水喷淋系统对邮轮火灾的冷却作用并分析了对疏散的影响[3]；刘众掣建立了邮轮住舱火灾的相似尺度模型[4]。而对邮轮内部高大空间火灾特性的研究极少。影剧院是邮轮内部最常见，最具有代表性的高大空间，具因此本文选取邮轮中以影剧院为核心的一部分典型空间作为研究对象，使用FDS软件建立火灾模型，数值模拟其火灾过程，通过烟气蔓延规律，温度场，CO浓度三个方面研究其火灾特性，希望能为邮轮高大空间火灾下的人员疏散与邮轮消防设计提供一定的参考依据。

2 典型高大空间特征

邮轮内部的高大空间是指室内净高8米以上，或跨越3层及以上甲板的起居公共场所。它们具有内部空间大，氧气充足的特点，一旦发生火灾火势发展迅速。影剧院就是邮轮内部高大空间的典型代表。

研究对象取自某四星级大型邮轮，该邮轮全长323.6米，宽度为37.2米，吨位135500吨，整个邮轮共16层甲板，共计房间2116间，可承载游客5260人。此邮轮中的影剧院横跨七，八，九层甲板，如图1所示。

图1 某大型邮轮第七层甲板平面图

影剧院周围环绕着众多客舱，通过狭长走廊相连。如图2所示。

图2 影剧院局部放大图

3 典型高大空间的FDS模拟

本文采用的模拟软件为美国国家标准技术局(NIST)开发的计算流体动力学软件FDS。该软件采用数值差分法解算低马赫数流动的纳维克斯粘性流体方程(N-S方程)来解决湍流问题，其可靠性得到了大量的工程验证。

3.1 火灾模型

建模时选取了影剧院所在的主竖区，大小为64.5m×31.4m×8.25m，共计三层。其中影剧院的平面尺寸为17.4m×16m，贯通三层影剧院内设200个座椅，舞台及银幕位于正前方，最底层的两边设置出口连通到走廊，出口高度位2000mm，宽度为400mm，走廊宽度为1200mm；周围为住舱，均为标准双人间，其尺寸为5800mm×2900mm，舱门宽900mm，高2000mm。影剧院左侧中部为常年封闭的空调机组，本文不予考虑。不额外设置通风口，仅考察通风控制下邮轮影剧院的火灾发展特性。

图3 典型空间火灾模型

3.2 火灾荷载

火灾荷载是指房间内所有可燃物完全燃烧时所产生的总热量。参考文献[6]中的常见材料热值表并结合影剧院的实际情况，计算影剧院火灾荷载的结果如表1所示。

表1 邮轮影剧院火灾荷载统计表

从表中可知邮轮影剧院内的可燃物主要是座椅，火灾荷载为104730.8 MJ，而影剧院的大小为17.4m×16.0m，因此影剧院的火荷载密度q为376.2MJ/m2。

3.3 源设置

在火源功率的设置时考虑完全发展型火灾和受水灭火系统控制的火灾两种情况。基于火灾设计原则，首先考虑在可燃物堆积处发生火灾的情况，其次考虑对疏散通道阻塞或容易造成人员心理恐慌的位置[7]。

3.3.1 完全发展型火灾

完全发展型火灾一般经历初期增长阶段、充分发展阶段和衰减阶段等三个阶段，其热释放速率随时间的变化曲线如图4示。

图4 完全发展型火灾的热释放速率曲线

由图4分析可知，初期增长阶段，火灾热释放速率按照t2火模型发展；充分发展阶段，火灾热释放速率达到最大值且处于稳定阶段，由下列公式计算：

(1)

式中：At——房间的总表面积，m2

A0——房间开口面积，m2

H0——房间开口高度，m

Qp——火灾热释放速率最大值，kW

对于本文中的邮轮影剧院，则有：

3.3.2 受水灭火系统控制的火灾

喷水灭火系统有效作用的情况下，火灾将受到抑制。在消防安全工程学中，通常通过火源功率的设置来等效喷水系统的作用，且假设喷水系统启动后热释放速率不再增大[8]。则热释放速率的最大值为

(2)

其中，Qp——热释放速率最大值，kW

t0——火灾发生的时间，s

t1——喷水系统开启的时间，s

q(t)——火源功率增长函数，kW/s

采用t2火模型，并设火灾开始时间为0，则

Qp=α×t2

(3)

α——火灾增长因子，kW·s-2

t——喷水系统开启的时间，s

国家规范《GB51251-2017建筑防烟排烟系统技术标准》[9]根据式中值的不同，将火灾分成了四类，具体定义见表2。

表2 火灾类别与α值

而邮轮影剧院内的可燃物主要是座椅、银幕、地毯等，因此可以判定影剧院火灾类型为快速火，取α=0.0440 kW/s2，

喷水系统开启的时间t的设定则参考文献[8]中的方法：设火灾发生到被消防系统探测到的时间为25s，探测报警时间为30s，定位延迟控制时间为120s。t=25+30+120=175s，再考虑1.5倍的安全系数，则热释放速率最大值Qp=1.5×α×t2=2.0MW。

3.3.3 工况设置

影剧院作为大型邮轮的一种典型空间，内部空间高大，座椅密布，因此将火源设置在座椅区域的中部作为一个位置工况，且考虑完全发展火灾和受控火灾两种火灾发展模式；而舞台侧面的大门作为影剧院的出口，对人员疏散意义重大，因此将火源设置在最靠近这个出口的第一排座椅作为第二个位置工况；由于影剧院座椅区的阶梯式布置，后排座椅的高度较大，为研究这个位置火灾的发展规律，将第三个位置工况设为影剧院最后一排中央。所有工况详情如表3所示。

表3 工况列表

在整个影剧院共设置七个测点，包括影剧院中央，各工况火源正上方等位置。每个测点从z=2m到z=8m高度方向上每隔1m设置一个热电偶和CO浓度探测器以监测影剧院的温度场和CO浓度场；影院中央设置层分区设备获取烟气层高度。如图5所示。

图5 影剧院火源位置与测点示意图

沿一楼走廊纵向每隔2m，距离甲板地面0.5m，1.0m，1.5m，2.0m处布置一个烟气速度探测器以获取烟气沿走廊的蔓延速度信息，如图6所示。

图6 走廊测点示意图

图7 走廊测点侧视图

3.4 网格划分

(4)

式中：

Q——最大热释放速率，kW

ρ∞——环境空气密度，kg/m3

cp——环境空气比热，kJ/kg·K

T∞——环境空气温度，K

当火源功率为2MW时，D*=2.6m，此时网格尺寸应介于[0.16m，0.65m]之间；火源功率为10MW时，D*=5.0m，此时网格尺寸应介于[0.31m，1.25m]之间。本文所有工况中网格尺寸均取为0.5m×0.5m×0.5m。

4 典型高大空间火灾特性分析

根据前述参数建立火灾模型，进行数值模拟，重点从温度场分布、烟气蔓延规律和CO气体的浓度等三个方面研究大型邮轮影剧院火灾发展规律。

4.1 邮轮高大空间温度场特性

邮轮影剧院火灾温度场主要受火源热辐射，热对流和氧气浓度的影响，温度的发展过程主要有上升、平稳、下降3个阶段。火源附近的温度场主要受热辐射影响，在火灾发展阶段温度上升速度和最高温度远高于其它区域；热烟气聚积在影剧院高处，且距离火源较远，因此影剧院高处的温度场主要受热对流的影响。

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4.1.1 工况A

工况A测点5各高度的温度曲线如图8所示。

图8 工况A测点5温度曲线

在火灾增长和发展阶段，测点5的温度迅速上升，远高于其它测点对应高度的温度。这个阶段高度越高，距离火源越远，温度就越低，270s左右最高温度达到780℃。而当热烟气逐渐聚集在顶棚时，受热对流传热影响，z=8.0m处的温度超过了z=2.0m外的其它位置。

处于空气中的易燃物，在着火状况下含氧量低于14%时，便不足以维持其燃烧[11]。大约600s后，由于氧气的不足(如下图所示)，燃烧速率大大降低。

图9 工况A氧气浓度切片图

950s左右温度进入下降阶段，此时各位置温度均以一种缓慢的速率下降，在800s内，各高度上的温度降到了36℃左右。

工况A测点1各高度的温度曲线如图10所示。

图10 工况A测点1温度曲线

在火灾增长和发展阶段，测点1各高度温度快速上升，大约280s进入平稳阶段。由于距离火源位置较远，因此热对流是温度增大的主要因素，温度随高度增加而增加，最高温度约为215℃。900s时，进入下降阶段，与测点5类似的是，所有高度上的温度缓慢下降，但由于热烟气分布的差异，各高度之间存在明显的温度差。

对比测点5和1的温度曲线发现测点3与测点1除z=2.0m外的其它位置有着相似的温度发展规律，且温度数值差距不大。而测点5中z=2.0m位置距离火源太近，火源外焰的剧烈变化使得该处的温度发展呈现一种不稳定的状态。

由于对称性，工况A测点1与测点2，测点3与测点4的火灾特性相同；影剧院的阶梯式布置虽然使得测点3、4所在位置的高度大于测点1、2，但工况A中这种差异对于温度发展的影响很小，测点3的最高温度约为220℃。

4.1.2 工况B

工况B测点6各高度的温度曲线如图11所示。

图11 工况B测点11温度曲线

工况B火源位于第一排座椅，高度低于工况A，故z=2m处的温度明显低于工况A，最高温度为620℃，高处的温度分布则相近。相比于工况A，整体温度场的高温中心偏移。

为获取火源远点的温度特性，故对工况B测点4各高度的温度进行考察，如图12所示。

图12 工况B测点4温度曲线

测点4为距离火源最远的测点，再结合其它测点的温度数据更加证实了：偏离火源一定距离的位置上的温度发展呈现出大致相同的特性。均为260s左右快速增长至平稳阶段，在氧气浓度的消耗上与工况A类似，大约580s左右浓度降到14%，如图13所示。

图13 工况B氧气浓度切片图

850s左右进入下降阶段，温度缓慢下降；高度越高温度越高，但进入下降阶段以后，由于热烟气向外蔓延，这种温差就越来越小。距离火源越远，整体温度越低，测点1(近点)的最高温度为260℃，测点4(远点)的最高温度只有175℃。

4.1.3 工况C

工况C测点7各高度的温度曲线如图14所示。

图14 工况C测点7温度曲线

工况C火源位于最后一排座椅，z=2.0m处的最高温度为980℃；z=4.0处的最高温度也达到了490℃，可见火源位置的抬升使下层的温度明显变大，但随着高度的增大，这种影响越发不明显。

工况C测点1各高度的温度曲线如图15所示。

图15 工况C测点1温度曲线

而其它测点，测点3(近点)的最高温度为300℃，测点1(远点)的最高温度为260℃。距离增大而造成的温度差距相对值与工况B相似。氧气浓度大约560s降到14%，如下图所示。

图16 工况C氧气浓度切片图

4.1.4 工况D

工况D测点5各高度的温度曲线如图17所示。

图17 工况D测点5温度曲线

工况D火源位置温度在上升阶段与工况A类似，280s左右z=2.0m处达到最高温度980℃，相比工况A增长幅度一般，接近工况C的最高温度。火源附近位置主要受火焰辐射传热，距离远近的变化对热辐射通量影响很大，从而使温度显著变化。但由于影剧院内氧气浓度在350s左右就降到了14%，如图18所示。因此工况D相比其它工况A更早进入温度下降阶段。

图18 工况D氧气浓度切片图

工况D测点1各高度的温度曲线如图19所示。

图19 工况D测点1温度曲线

工况D测点1处最高温度为385℃，相比工况A同测点温度大幅增加。同样的，由于氧气的不足，测点1的温度也更早进入下降阶段。

4.1.5 小结

邮轮高大空间火灾温度场有如下特性：

火源附近的温度远高于其它区域，变化剧烈。不仅火源功率的增大能显著提高温度，对距离的变化也非常敏感：工况A最高温度为780℃，功率相同，测点由于火源位置抬升而距离火源更近的工况C最高温度为980℃；而火源功率大幅增加的工况D同位置最高温度也接近980℃。

而非临近火源区域的温度发展则存在相似的特性：温度曲线形状相似，温度数值随距离变化一般。工况A测点1(2)与测点3(4)最高温度仅差5℃，工况B火源远点最高温度也达到了175℃。高度越高，温度越高。

火源功率的增大显著提升所有位置的温度，加快火灾发展阶段温度上升速率，工况A，270s左右达到最高温度780℃，而相同时间工况D达到了970℃。但氧气的剧烈消耗使得工况D的温度提前进入衰减阶段，500s左右温度就显著下降。

4.2 大型邮轮烟气蔓延规律

4.2.1 烟气在影剧院的蔓延过程

火灾发生后火源位置处释放出大量的热量，使得相邻流体之间存在温度梯度和密度梯度，进而产生浮力效应。在火羽流中，烟气属于轻流体，空气属于重流体。邮轮影剧院这种高大空间结构中，由于上空没有阻挡物，热烟气在浮力作用下，从火源位置迅速向上传播，撞击到顶棚时向四周扩散，形成顶棚射流。如图20所示。

图20 工况A顶棚射流图像

由于四周墙壁的限制，热烟气铺满整个顶棚后便会沿着顶棚下表面流动，形成烟气层，自上而下的填充整个影剧院的中上层空间，如图23所示。遇到开放的出口时向外蔓延，影响邮轮的其它区域。

图21 工况A烟气下沉图像

影剧院烟气层高度随时间变化图像图22所示。

图22 工况A影剧院烟气层高度

影剧院中央的烟气层高度迅速下降至3.5m左右，但由于顶棚射流，烟气从四周急速下降，中央位置高处烟气的流失使得烟气层高度出现回升。最后烟气几乎充满整个影剧院，烟气层下降至台阶地面。

4.2.2 烟气在模型整体的蔓延过程

以工况D为例，研究火灾烟气在整个典型空间的蔓延过程。从影剧院右侧溢出的火灾烟气在狭长的走廊中迅速蔓延，不到120s烟气前锋就蔓延到了走廊的另一侧。同时受舱室阻挡限制，向两端扩散，逐渐填充经过的舱室。而影剧院左侧的烟气则有一部分通过楼梯向上迅速蔓延至典型空间的最高层甲板。

图23 工况D烟气走廊蔓延图像

257s时，工况D走廊烟气蔓延速率如图24所示。

图24 257s工况D走廊烟气速率

此时烟气前锋在走廊主要沿顶棚前进，部分烟气进入周边的客舱因此沿纵向距离影剧院门口越远烟气速率越低。

497s时，烟气已经几乎弥漫了整个模型的一层的绝大部分区域，二层，三层也有许多区域受到烟气的影响。

图25 497s工况D火灾烟气图像

上升到2层，3层甲板的烟气在填充了沿途的舱室、厕所等空间后开始进入走廊并迅速蔓延，可以看出由于浮力羽流导致的烟气上升使得楼梯连接的最高层甲板相比于其它非火灾发生层，最先受到火灾烟气的影响。

图26 1800s工况D火灾烟气蔓延图像

4.2.3 小结

各工况烟气蔓延时间节点如表4所示。

表4 各工况烟气蔓延时间节点

由此可见火源位置对影剧院火灾烟气蔓延到走廊，影响其它空间的时间的影响较小，因此随后在邮轮整体的火灾烟气蔓延行为差异也不大；而增大火源功率则会显著加快火灾烟气蔓延的速度。

4.3 邮轮高大空间CO浓度特性

CO是火灾烟气中主要的有毒气体，是由于不完全燃烧产生的，工程中常用CO浓度作为烟气危害的判断标准。根据SONG Xiao-ya等人的研究[12]，CO浓度超过500×10-6时，人员安全将受到严重威胁。

邮轮影剧院的CO浓度发展主要分为快速上升和缓慢上升两个阶段：前者是由于火势的不断增大，氧气不足以支持完全燃烧，从而大量出现CO；后者则是由于氧气的严重不足，燃烧强度大幅降低，从而导致CO生成速率大为衰减。随着高度增加，CO浓度轻微增大。

工况A测点5各高度的CO浓度曲线如图27所示。

图27 工况A测点5的CO浓度曲线

由图可知，随着热释放速率的增大，工况A大约240s时氧气不足以支持完全燃烧，CO浓度进入快速上升阶段，各高度上的CO浓度很快就达到了500×10-6，由于接近燃烧反应区，z=2.0m位置CO浓度波动较大；1000s左右CO浓度增长速率变慢，此时各高度上CO浓度差距不大。影剧院CO浓度切片图如下所示，发现各位置CO浓度基本相同，均为3500×10-6左右。