船舶高大空间火灾特性分析

王旭阳，张宏，邓茹凤，熊言义，胡洋

(中国船舶集团有限公司第七一三研究所 郑州市特种场所火灾防护技术重点实验室，郑州 450015)

船舶火灾的危害主要体现在烟气的高温、毒害性，已有学者对船舶火灾的发生、发展及火灾防控进行了广泛的研讨。

在此前的研究成果基础上，考虑对船舶高大空间在正常通风和关闭通风条件下进行火灾场景仿真，利用FDS分析不同通风条件下空间温度场和烟气分布规律，了解烟气蔓延过程。

1 船舶高大空间火灾场景仿真

1.1 场景概述

船舶高大空间中布置有辅助设备，且含有燃料油，有发生火灾的隐患，因此定义该位置为火源。选取图1火源位置发生RP5燃料油池火火灾为典型火灾场景。

图1 火源位置示意

该高大空间中布置有送排风口，通风模式考虑低速送排风。火源功率取为9 MW，火源面积取4 m，考虑低速送排风及关闭通风两种状态，设置两种仿真场景见表1。

表1 该高大空间火灾仿真场景

1.2 网格划分

该空间由于尺寸较大，综合考虑计算精度、计算机性能及计算时间，采用多重网格技术对计算域进行分区域网格划分，火源附近使用精网格，远离火源位置使用粗网格，对于考虑环境风的火灾场景，火源下风向适当加密，相邻区域网格尺寸比为1∶2。

不同的火灾场景对网格尺寸的要求不同，通常使用无量纲表达式作为判断计算流场准确度的标准，其中为最小网格尺寸，为火源特征尺寸，可通过下式计算。

(1)

式中：为总火源的功率，kW；为空气的密度，kg/m；为空气比热，kJ/(kg·K)；为环境温度，K；为重力加速度，9.81 m/s。

大气环境条件为

=1.225 kg/m；

=1.005 kJ/(kg·K)；

=293 K；=9.81 m/s。

RP5单位面积热释放速率为=2 230 kW/ m，火源功率为9 MW。

火源特征尺寸=2.3 m。

综合考虑计算精度及计算耗时，最小网格尺寸定义为0.25 m，此时=9.2。为了增加计算效率，网格仍然采用分区域网格划分，模型中火源附近区域网格尺寸为0.25 m，其余区域网格尺寸为0.5 m，场景1、2仿真模型网格数量为155 520。

1.3 燃烧反应定义

根据文献[8]，航空煤油(RP5)主要由C10～C16饱和烷烃、环烷烃、芳香烃以及烯烃等组成，由于航空煤油为复杂的混合物，仿真过程中难以完全准确描述其所有物质的燃烧反应，因此结合其平均分子量的大小，考虑采用其含量较高的CH为替代燃料，燃烧过程中涉及的燃烧热等相关参数仍按航空煤油的物性参数设定。

1.4 火源参数设置

实际发生火灾时，火源情况非常复杂，为了便于计算机模拟，采用目前世界上最普遍使用的火灾模型对火源进行抽象及简化处理。根据火灾增长系数的值，定义4种标准火灾：慢速火、中速火、快速火和超快速火，见表2。

表2 定义4种标准t2火灾类型

火灾模型的表示在增长阶段火源功率和成正比，其二次方程如下。

=

(2)

式中：为火源功率，kW；为火灾增长系数，kW/s，根据火灾分级取值；为时间，s。

该高大空间中火源功率为9 MW，计算得到火源达到最大热释放速率所需时间为=219 s。仿真过程中火源热释放速率见图2。

图2 PR5喷气燃料热释放速率

1.5 边界条件设置

模型中边界主要有送风口和排风口。为增加计算精度，考虑保证通风量不变，略微调整送风口模型尺寸，使模型中通风口边界与网格边界重合，模型区域送风时有两台风机，对应送风口总尺寸为4 m×2 m，送风口边界设置为送风边界supply，风速通过排风机低速排风量与送风口面积的比值计算为2.43 m/s，建立两个排风口，尺寸均为2 m×2 m，排风口设置为开放边界open。模型中壁面均设置厚度为12 mm的钢板。

1.6 温度测点及剖面

为了获取各时刻温度场及特征点的数据，布置如图6所示的热电偶(温度测点)。火源中心位置坐标为(111，19，0)，在火源上方分别沿、、3个方向布置热电偶。其中：方向上热电偶均布置在高度=4 m的平面内，测点数量共7个分别为TX01～TX07，沿方向，在=80～140 m范围内每隔10 m布置1个；方向上，在高度为4 m的平面上布置5个温度测点分别为TY01～TY05，沿方向，在=4～20 m范围内每隔4 m布置1个；高度方向上在火源中心位置上方=2～6 m范围内每隔2 m布置1个热电偶，具体温度测点布置见图3。

图3 温度测点布置示意

2 仿真结果与分析

2.1 正常通风时仿真结果分析

场景1火灾仿真中温度测点结果见图4，图4a)为和方向典型测点温度曲线，各测点布置在距火源中心的水平距离3～31 m范围内，这些测点的温度可代表空间内除火源附近区域外大部分位置的温度。

可以看出，这些测点温度变化趋势基本一致，同一时刻温度值相差不大，距火源中心水平距离3 m(TY04)与距火源31 m位置(TX01)温度相差不超过20 ℃。此外，图4a)中温度曲线也代表了空间内大部分区域的温度变化过程，在火灾发生后175 s时间内，空间内大部分区域温度受火灾影响较小，距离火源最近的测点TX04温度上升至31 ℃，其余测点温度均在25 ℃以下；而当时间超过175 s，在360 s之前时，空间内温度场受火灾影响明显，各测点温度急剧上升，均从室温附近上升至64～80 ℃，温升速率可达到0.3 ℃/s；之后空间内温升速率开始下降，各测点温度随着火灾发展而缓慢升高，20 min时空间内温度可达110 ℃左右。通过空间温度场变化可得，175 s前空间内除火源附近外的其他区域遭受的火灾危害性较小，火灾对空间内其他设备人员造成的损害最小，因此该高大空间内发生火灾后175 s前是灭火的最佳时机。

图4b)为火源中心正上方不同高度位置温度变化，可以看出有风条件下TZ01测点温度波动较大，这也由于通风加剧火焰脉动，TZ01测点温度脉动峰值可达到920 ℃，平均温度约为600 ℃。火源中心正上方高度越高的位置，测点温度越低，高度分别为4 m和6 m的TZ02、TZ03测点平均温度可分别达到505 ℃和490 ℃。

图4 测点温度变化

发生火灾后该高大空间内烟气层高度随时间的变化见图5。由图5可见，火灾发生后，燃烧产生烟气快速上升至空间顶部，并在顶部聚集，随着烟气的聚集，烟气层高度开始下降，大约450 s后烟气层高度趋于稳定，烟气层高度稳定在2.35 m左右。

图5 该高大空间内烟气层高度

不同时刻该高大空间内=19 m剖面的温度见图6。

图6 不同时刻温度云图，Y=19 m

由图6可见，随着火灾发展，空间内温度持续升高，=60 s时，火灾处于发展初期，仅火源正上方区域有小幅温升；=120 s时，火源正上方温升明显，高温区域范围扩大，但该高大空间内其他区域温度基本还维持在常温，受火灾影响较小；=240 s时，空间顶部区域温升明显；=600 s时，该空间内温度整体上已经有明显上升，并且越靠近该高大空间顶部的区域温度越高。另外受风速的影响，火源正上方高温区域向排风口附近有一定程度偏移。

2.2 关闭通风时仿真结果分析

关闭通风时，空间处于密闭状态，由于燃烧反应消耗氧气，当空间内氧浓度降低到一定程度时，火焰逐渐减弱并熄灭。关闭通风时该高大空间内火灾仿真结果见图7。图7a)为、方向上布置测点的温度变化，这些测点的温度变化趋势基本可以反映该高大空间内温度变化过程；0～144 s时，空间内温度变化很小，除了距离火源中心3 m的TY04温度上升至33 ℃左右，图中其他测点位置温度均不超过25 ℃；火灾发生144 s后，403 s前，空间内温度急剧上升，温升速率可达到0.28～0.34 ℃/s，403 s时，TY04温度上升至120 ℃，其余测点温度上升至95 ℃左右；403 s后，空间内温升速率下降至约0.03 ℃/s，约为之前温升的1/10，持续升温至1 951 s时，由于火势快速衰减，空间内温度开始下降，温度下降速率约为0.12 ℃/s。相比于通风工况，该高大空间内除火源附近外其他区域安全时间更短，这主要是由于通风时部分热量从通风口溢出，而密闭条件下空间内热量更容易积累。因此，密闭条件下能在火灾发生后144 s内投入灭火系统是减小火灾损失的重要措施。

图7 测点温度变化

图7b)为火源正上方测点的温度变化，可以看出，=219 s时火源热释放速率达到峰值，此时火焰温度最高，火源正上方2 m位置的TZ01温度峰值可达1 090 ℃，但由于氧气的持续消耗，燃烧反应速率减慢，火焰正上方开始小幅度持续降低，火源中心正上方高度为2 m的测点TZ01温度在320 s后开始缓慢下降，TZ02和TZ03测点温度也先上升后下降的趋势，并且高度越高的位置，温度开始下降的时间越滞后；1 951 s时，该高大空间内温度开始快速下降，2 075 s时火焰完全熄灭，火源正上方测点温度直线下降，2 090 s后，火源正上方温度下降至与该高大空间内其他区域温度接近，随后开始缓慢下降。

相比于通风条件下，密闭条件下火灾会自发熄灭，并且火源达到最大热释放速率后，火焰火势逐步减小，测点温度持续下降，通风条件下，火源燃烧温度基本维持稳定，从火源的角度上看，密闭条件下火灾危害性小于通风条件下。然而密闭条件下，该高大空间内热量更容易积累，火源附近位置外的其他区域温度基本不受火灾影响的时间缩短，且火源稳定燃烧阶段，密闭条件下该高大空间内温度略高于通风条件下，因此，从该高大空间内温度分布看，密闭条件下该高大空间内发生火灾时的火灾危害性大于通风条件。

密闭条件下发生火灾后该高大空间内烟气层高度随时间的变化见图8。

图8 该高大空间内烟气层高度

由图8可见，火灾发生400 s时，烟气基本充满空间，烟气层高度趋于稳定，烟气层高度稳定在1.75 m左右，相比于通风条件下，密闭时空间内烟气层高度更低，烟气危害性更大。

图9为该高大空间内距离火源11 m、高4 m位置处O体积分数的变化，可以看出，火灾发生后该高大空间内氧气体积分数持续下降，当氧体积分数下降至11.2%时，火焰完全熄灭，该高大空间内氧体积分数不再下降。

图9 该高大空间内氧气浓度的变化

不同时刻空间内=19 m剖面温度云图见图10。

图10 不同时刻温度云图，Y=19 m

由图10可见，随着火灾的发展，该高大空间内温度持续升高，=120 s时，火源正上方温升明显，该高大空间内其他区域温度基本还维持在常温，受火灾影响较小；=600 s时，空间内温度已经有明显程度的上升，且靠近火源顶部的区域温度较高，这主要是高温烟气在顶部聚集的缘故；=2 000 s时，火焰衰减明显，火源正上方温度较之前有明显下降，但仍明显高于火源周围温度；=2 075 s时，火焰已完全熄灭，火源正上方温度快速下降至接近空间内其他区域温度。

3 结论

1)发生火灾后，通风条件下除火源附近外的其他区域温度场变化均经历维持常温阶段、快速温升阶段和持续缓慢温升阶段；而关闭通风时该高大空间内温度场还存在一个衰减阶段。

2)通风时，投入最佳灭火时间为火灾发生后175 s，关闭通风时，投入最佳灭火时间为火灾发生后144 s。

3)在温升阶段，关闭通风时该高大空间内温升更快，快速温升和持续缓慢温升阶段温升速率分别达到0.34 ℃/s与0.03 ℃/s，而通风条件下这两个温升速率仅为0.3 ℃/s和0.013 ℃/s。

4)通风时，该高大空间内烟气层的高度为2.35 m，而关闭通风时该高大空间内烟气层高度下降至1.75 m，关闭通风时烟气危害性较大。

5)关闭通风时该空间温度场受火灾影响更明显，火灾危害性更大。