船舶机舱存储区域火灾燃烧特性的仿真分析

黄峙，邓飞云

(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；2.海军装备部驻上海地区第一军事代表室，上海 201913)

存储区域火灾的发生、发展过程复杂，受到多种因素的制约和影响，火源功率的大小、通风状况、开口位置及空间大小等都会对火灾场景产生影响。

关于实船舶舱室火灾事故面临的技术问题，目前的研究主要集中于船舶舱室内单一有无开口对烟气层温度和烟气层高度的影响，未结合现实船舶舱室场景考虑舱室开口数量的影响；同时，亦未能对不同火源功率下烟气蔓延发展参数(烟气层温度、空气层温度、烟气层高度、氧气浓度等)进行综合分析。

为此。基于CFAST仿真模型对船舶机舱存储区域进行系列模拟，分析不同火源功率与开口数量耦合影响下船舶舱室内的烟气层温度、烟气层高度、空气层温度等关键参数的特性演化规律。

1 模型建立及工况设计

鉴于船舶舱室种类、危险源复杂，以船舶机舱中某典型场景——存储区域作为分析对象，采用CFAST软件构建存储区域数值分析模型。区域尺寸(长×宽×高)为12.3 m×10.3 m×2.6 m。初始火灾场景不加灭火措施干预。由于CFAST在建立曲面墙模型时存在不足，且该曲面对本次模拟结果的影响较小，因此在本模拟中以平面墙代替曲面墙。区域的CFAST模型见图1。

图1 存储区域CFAST模型尺寸示意

为研究火灾时存储区域内烟气蔓延规律和特性，将区域划分为7个空间，空间1～6为舱室，舱室面积均较小，空间7为走廊，见图2。

图2 存储区域空间划分示意

选定舱室1，长×宽×高为4 m×4 m×2.6 m。同时，舱室1～6在靠走廊侧墙壁的中心均设置1 m×2 m的门，实现与走廊直接连通。研究区域形状、开口的CFAST模型见图3。

图3 划分后存储区域的CFAST模型

考虑到研究区域为存储区域，假定其中储存物是燃油，在CFAST中将可燃物定义为正庚烷(CH)，将初始氧气体积分数设为20.5%，低氧极限设定为15%，初始烟气层温度、空气层温度均设定为20 ℃。舱室1压力设置为1 kPa。

考虑到不同功率对存储区域火灾燃烧特性的影响，采用300、500、700、900 kW 4种火源功率，以反映不同的火灾规模。并根据不同开口数量和火源功率的排列组合，构建仿真工况见表1。表中舱室1用A1表示。着火区域是指区域中发生火灾时火源的位置。开口数量是指区域中处于敞开状态的门的数量。

表1 着火区域A1工况样例表

2 实验结果与分析

2.1 不同火源功率下存储区域火灾燃烧特性

2.1.1 火源功率对烟气温度的影响

工况1、3、4、5，即不同火源功率下的烟气层温度随时间的变化见图4。

图4 不同火源功率起火舱室的烟气层温度变化

由图4可以看出，不同火源功率下的烟气层温度均经历了先上升后迅速下降的阶段。火源功率越大，烟气层温度峰值越大，出现下降趋势的时间越早。烟气层温度下降可能与舱室内的氧气含量不足有关，研究中设定当氧气体积分数低于15%时，燃烧受到抑制并迅速熄灭，之后无热烟补充，从而导致烟气层温度的下降。同时在有开口的条件下，起火舱室的烟气会通过开口向其他舱室蔓延，导致烟气层温度进一步下降。

相同工况下起火舱室内氧气含量和实际火源功率变化见图5、6。

图5 不同火源功率起火舱室的氧气含量变化

由图5可知，舱室内氧气含量的下降速度与火源功率呈正相关，即火源功率越大，氧气消耗越快。不同火源功率下(按900 kW依次递减)，氧气体积分数下降至15%的时间分别为315、330、375、480 s，与不同火源功率下烟气层温度突然降低的时间节点十分接近。这是因为当氧气体积分数降至15%时，燃烧受到抑制并迅速熄灭，从而烟气层温度突然降低。当火源功率越大时，氧气体积分数降至15%的时间越短，烟气层温度出现下降趋势的时间也越早。

由图6可知，在0～300 s内，各工况下的火源功率均先上升，在300 s时分别达到最大值，之后进入稳定燃烧阶段。但由于不同火源功率下氧气浓度下降至15%的时间不同，不同火源功率稳定燃烧时间段也各不相同。

图6 不同火源功率起火舱室的实际火源功率变化

分析可知：①相同条件下，火源功率越大，烟气层温度上升越快，烟气层的温度峰值也越大，出现下降趋势的时间越早；②相同条件下，火源功率越大，氧耗越迅速。在不施加干预情况下，火源功率越大熄灭时间越早。

2.1.2 火源功率对空气层温度的影响

前述工况，不同火源功率下的空气层温度变化见图7。

图7 不同火源功率起火舱室的空气层温度变化

由图7可知，不同火源功率下空气层温度的整体规律性表现与不同火源功率对烟气层温度的影响相似。相同条件下火源功率与舱室内的空气层温度呈正相关，即火源功率越大，空气层温度越高，出现下降点的时间越靠前。这与氧气浓度下降导致火源熄灭有关。

2.1.3 火源功率对烟气层高度的影响

前述工况，不同火源功率下的烟气层高度变化见图8。

图8 不同火源功率起火舱室的烟气层高度变化

由图8可见，相同条件下火源功率越大，烟气层的厚度越大，即离地高度越小。不同火源功率下的烟气层高度变化趋势基本相同。在火灾发展初期，火源功率逐渐增大，烟气不断向舱室顶部蔓延形成烟气层，烟气层厚度逐渐增大。当300 s时刻，达到最大火源功率时，烟气层高度也达到最小值，即此时离地面最近。而后由于火源熄灭，不再有烟气补充，存在开口时部分烟气还会扩散至其他舱室，引起舱室内烟气层变薄，烟气层高度增大。

2.2 不同开口数量下存储区域火灾燃烧特性

2.2.1 开口数量对烟气层温度的影响

工况1、2、6、7、8、9、10同一着火区域和相同的火源功率，300 kW，不同开口数量下的烟气层温度变化见图9。

图9 不同开口数量起火舱室的烟气层温度变化

由图9可以看出，在无开口与外界相通时，烟气层峰值温度明显较其他情况下的峰值温度高，同时也最早达到峰值温度。这是因为在无开口时，烟气没有开口供其流出蔓延，只能积聚在起火舱室。而在有开口时，烟气会通过开口逸出并蔓延至其他舱室，外界空气也会通过开口进入，从而烟气层的温度较低，并且达到温度峰值的时间也较长。

在有开口的条件下，随着开口数量的增加，烟气层峰值温度越小，这说明增加开口数量有助于降低烟气层温度，但存在临界值即2个开口，继续增加开口对烟气层温度影响较小。

同时可以看出，无开口时烟气层温度达到峰值后随即下降；存在开口条件下，烟气层温度达到一定高度的峰值后将持续略微上升或保持一段时间，且开口数量越多，持续时间越长。这与舱室内的氧气含量有关。在有开口时，外界的空气会通过开口向起火舱室流通，补充氧气，从而继续燃烧产生烟气。随着开口数量的增加，氧气补充也越充足，燃烧持续时间也越长。无开口时，无外界氧气补充，在氧气下降至15%时燃烧就会受到抑制而熄灭，从而使烟气层在达到峰值后迅速下降。

上述工况氧气浓度和实际火源功率随模拟时间的变化对比见图10、11。

图10 不同开口数量起火舱室的氧气浓度变化

关于图10和图11的说明：存在开口时，舱室内的烟气层高度最低为0.76 m，即火源仍然处于空气层，其所处环境的氧气浓度应以空气层氧气浓度为例。而无开口条件下，烟气最终会充满整个起火舱室，火源位于烟气层中，因此其周围环境氧气浓度应以烟气层氧气浓度为准。

图11 不同开口数量起火舱室的实际火源功率变化

由图10可知：有无开口起火舱室内的氧气含量均会下降，但下降速率存在差异。无开口时氧气浓度下降速率最快，存在开口时氧气体积分数下降速率比无开口时下降速率要慢，增加开口时下降速率逐渐变缓。在无开口时，无外界氧气的补充。而在有开口时，外界的空气会通过开口向起火舱室流通，从而补充氧气，而随着开口数量的增加，氧气补充也越充足，其下降速率越慢。

并且在不同的开口条件下，起火舱室实际火源功率均在300 s时刻达到指定的峰值，之后进入稳定燃烧阶段。随着开口数量的增加，稳定燃烧时间也越长，这说明增加开口能有效地延长稳定燃烧段。这是因为不同开口数量情况下氧气体积分数下降至15%的时间不同。

2.2.2 开口数量对空气层温度的影响

上述工况下同一着火区域和相同的火源功率，300 kW，不同开口数量下的空气层温度见图12。

图12 不同开口数量起火舱室的空气层温度变化

由图12可以看出，无开口时空气层温度上升速度较快，温度峰值小于存在开口时的空气层温度。

这是因为在无开口时随着火灾的发展，烟气层迅速变厚，空气层变薄，在330 s时刻基本已充满整个舱室，空气层温度上升较快。故在火灾发生后的225 s前，相同时刻无开口条件下的空气层温度要高于其他开口条件。在345 s左右，空气层温度达到最大值55.3 ℃。此后无开口条件下的火源熄灭，空气层逐渐冷却。

在有开口的条件下，随着开口数量的增加，空气层的温度峰值降低，空气层温度上升的速度变慢，这是因为随着开口数量的增加，热烟气通过开口流出得越多，冷空气通过开口进入舱内也越多，从而使空气层温度峰值降低，上升速度变慢。

2.2.3 开口数量对烟气层高度的影响

上述工况下，同一着火区域、300 kW的火源功率和不同开口数量下的烟气层高度变化见图13。

图13 不同开口数量起火舱室的烟气层高度变化

由图13可见，无开口时火灾发生后330 s左右，烟气层高度基本为0 m，这是由于烟气没有开口供其流出蔓延，只能积聚在起火舱室内，导致烟气层向地面下沉的速度最快。

而当开口存在时，不同开口数量下的烟气层高度基本在300 s左右达到最小值。随后经略微上升，保持稳定状态，接着烟气层高度在极短时间内迅速增大，最终均达到同一稳定值，约为2 m。这是因为增加开口后，烟气可通过开口流出并蔓延至其他舱室，同时其他舱室的空气亦会通过开口向起火舱室流通，使得舱室内的氧气得以补充，能够继续燃烧产生烟气。在稳定状态时，烟气产生量与烟气蔓延量基本一致。当起火舱室内火源熄灭并不再产生烟气后，由于起火舱室与其他舱室的压差，起火舱室中的烟气会通过开口向其他舱室急速蔓延，导致起火舱室内的极短时间内迅速增大。当内外压差相同时，烟气层不再蔓延，烟气层高度达到稳定值。

并且可以看出，随着开口数量的增加，起火舱室内的烟气层高度增加，使得舱室内的烟气层变薄，同时稳定状态时间变长。因为增加开口数量后，烟气逸出较多，烟气层厚度减小，从而使烟气层高度增加。

3 结论

1)火源功率对烟气层温度影响较大，随着火源功率的增加，烟气层温度上升速率越快，烟气层峰值温度越大，人员逃生时间越短。

2)在封闭状态下，特别是小尺寸舱室，发生火灾后，由于氧气不充足导致起火后一定时间内自然熄灭。因此在实际消防工作中，针对这类舱室，若可预见后果在承受范围内，可以考虑封舱灭火。

3)无开口时的烟气层峰值温度和烟气层厚度均大于有开口时的情况，即在无开口时烟气积累较多，在这种情况下，为保障人员安全，应采用排烟系统，消防人员在开展封闭空间灭火救援工作时应做好防护。

4)在存在开口的情况下，增加开口数量能够有效降低空气层的峰值温度，能够减慢空气层温度的上升速度。故而在船舶设计时，可适当在合理的位置增加门窗。