舰船发电机舱典型火灾场景仿真分析

2022-10-28张宏胡洋熊言义王雅文王旭阳

船海工程 2022年5期

张宏，胡洋，熊言义，王雅文，王旭阳

(中国船舶重工集团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)

机舱火灾具有极强的破坏性，机舱火灾是国内外学者和研究舰船火灾安全所关注的重点。某型舰机舱设置了发电机舱和推进电机舱，发电机舱内布置有柴油发电机组与配电设备，推进电机舱内布置有推进电机，发电机舱内有大量柴油等可燃物，一旦着火发生火灾，将对舱室内设备造成重要危害并影响舰船电力供应。因此，需要分析发电机舱内典型火灾场景，便于制订消防设计以及灭火策略。针对某型舰发电机舱可能发生的柴油油池火火灾，采用LES技术，利用火灾动力学分析软件FDS开展典型火灾场景仿真分析，获取发电机舱典型油池火火灾场景下舱室内温度变化规律及烟气蔓延特性。

1 数值计算方法

1.1 基本方程组

受限空间内的火灾热流场主要为热浮力驱动的低马赫数流动过程，此类受重力作用的多组分理想气体热流动过程通用控制方程组为

1)质量守恒方程。

(1)

2)动量守恒方程。

(2)

3)能量守恒方程。

(3)

4)组分方程。

(4)

5)理想气体状态方程。

(5)

1.2 大涡模拟技术

(6)

(7)

式中：为流动区域；为求解涡旋尺度的滤波函数。

1.3 燃烧模型

火灾燃烧模型通常有两种典型处理方法：一种认为燃烧反应是有限速率，但计算时通常需要划分非常精细的网格，不适用于大尺寸火焰燃烧；第二种将燃烧过程简化处理，认为燃料和氧气混合燃烧速率无限快，燃烧过程仅与二者混合分数有关，这种处理方法可以简化计算量，更适合于对于较大空间内火灾的模拟，对于单步瞬时反应，假设燃料与氧气混合后的反应及相关计算参考文献[9]。

CHON+OO→

COCO+HOHO+CO+Soot+NN

1.4 热辐射模型

热辐射在火灾流场中对火势的扩大和人员的安全威胁有较大影响，但由于物理过程中热辐射其本身的复杂特性，使对其精确模拟还存在一定的难度，目前所使用的模型只能对其进行简化处理。由非散射灰体的辐射输运方程可得

(8)

式中：为射线方向单位矢量；(,)为沿射线方向的辐射强度；为吸收系数；为黑体辐射强度，由斯蒂芬—波尔兹曼四次方定律进行计算。

火场中空间固体壁面处的辐射强度可表示为

(9)

式中：()为壁面辐射强度；为发射率；为壁面黑体辐射强度。

2 仿真模型

2.1 几何模型及网格划分

某型舰发电机舱纵跨双层底及平台甲板，舱室内主要有柴发机组、燃发机组及配电室等设施，舱室尺寸为20 m×24 m×8 m，平台甲板甲板距离舱室底部距离为3.5 m，平台甲板上在柴发机组附近设有开口。另外，机舱发生火灾时通过风油遥切将通风关闭，因此不考虑机舱的送排风系统。建立仿真模型，将发电机舱近似为密闭舱室，见图1。

图1 几何模型

仿真模型采用六面体结构化网格划分，针对油池火仿真，可使用量纲-的量表达式作为判断计算流场准确度的标准，一般情况下，当≈10，认为网格尺寸满足计算精度要求，其中为最小网格尺寸，为火源特征尺寸。

(10)

式中：为总火源功率，kW；为空气密度，取值为1.225 kg/m；为空气比热，1.005 kJ/(kg·K)；为环境温度，293 K(常温)；为重力加速度，取9.81 m/s。

本文所使用油池火火源功率为6 MW，计算的火源特征尺寸为1.95 m。综合考虑计算精度及计算耗时，将仿真模型最小网格尺寸定义为0.2 m，此时=9.75，发电机舱室油池火火灾仿真模型网格数量为48万。

2.2 火源设置

舱室内主要火灾场景考虑柴油泄漏形成油池火火灾事故，因此考虑油池火源位置在双层底柴油机组附近，火源位置布置见图2。

图2 发电机舱底部火源的布置位置

火源中心位置坐标为(18 m，11 m，0)。机舱为A类机器处所，机舱燃烧参数参考IMO相关规范，选取油池火火源面积为4 m，火源功率为6 MW，单位面积热释放速率速率为1 500 kW/m。柴油油池火属于快速火，通过=计算火源达到最大热释放速率所需时间，柴油油池火α取为0.187 8，计算得到火源达到最大热释放速率所需时间为179 s，仿真过程中火源总热释放速率的变化见图3。

图3 燃料总热释放速率的变化

2.3 测点布置

为了分析发生火灾后发电机舱内温度变化规律，在舱室内=1 m和=18 m剖面上布置21个温度测点，见图4。

图4 温度测点布置示意

3 计算结果分析

发电机舱典型火灾场景仿真测点温度模拟结果见图5。

图5 测点温度曲线

由图5可见，在火灾发展阶段，舱室内温度随之快速上升；当火源达到最大热释放速率后，火势达到最大，各测点温度上升至最高并相对稳定；随着舱室内氧浓度的降低，当火势呈现衰减趋势时，舱室内各测点温度开始快速下降。

图5a)为燃发机组右侧距离右舷舱壁=1 m，高度分别2.5 m、6.0 m的平台甲板上下两层沿方向布置的测点温度变化曲线，相邻测点间隔6.0 m。可以看出，距离火源中心水平距离最近的TX04测点，由于未受到燃发机组及平台甲板的遮挡，其温度上升最快，快速温升阶段其温升速率可达1.5 ℃/s，最高温度可达到276 ℃；而位于=1 m的TX01测点，温度仅能上升至176 ℃，温差可达100 ℃，表明在该火灾场景下，平台甲板下方区域靠近船首一侧(轴正向)温度场受火灾影响更大，温度较高，而靠近船尾一侧温度相对较低。另外，平台甲板上方测点温度均低于下方测点温度，并且与平台甲板下方类似，平台上方区域沿着轴正向分布测点温度依次增高。约630 s时，火势开始减小并逐渐熄灭，测点温度快速下降，并且平台甲板下方区域温度下降速度快于平台甲板上方，680 s后，平台甲板上方测点温度超过下方测点。

图5b)为=18 m，高度分别=2.5 m和6.0 m的平台甲板上下两层区域内沿方向布置的测点温度变化曲线，相邻测点间隔6.0 m。从图中可以看出，平台甲板下方布置在火源左侧的测点TY01和TY02温度要比火源右侧布置的TY03和TY04测点温度更高，这主要火源左侧的平台甲板开口较小，高温烟气更容易积累。

图5c)为火源中心正上方以及=36.5 m、=18 m位置处不同高度处的温度变化曲线，TZ01和TZ02高度分别为1.5 m和3.0 m，受火焰的影响最明显，平均温度可达480 ℃。对于平台上方区域，高度越高的位置温度越高，这主要是高温烟气在舱室顶部聚集的缘故。

=18 m、=1 m及=7 m剖面不同时刻温度变化见图6。

图6 x=18 m、y=1 m及z=7 m剖面不同时刻温度变化

其中，=18 m为过火源中心的剖面，=1 m为燃发机组与右舷舱壁间的剖面，=7 m为舱室顶部下方1 m位置的剖面。从图中可以看出，=60 s时，火灾处于发展初期阶段，火灾对舱室内温度影响较小，仅火源正上方小范围区域内温度受到火灾的影响；=120 s时，火势进一步扩大，火源上方高温区域范围增加，平台甲板下方区域以及舱室顶部烟气开始聚集，温度逐步升高；=240 s后，火源热释放速率已达到峰值并持续稳定在峰值附近。此时，火灾对舱室内温度影响最大，平台甲板下方区域及舱室顶部区域温度均上升至110 ℃以上；=650 s时，火势已经在逐步衰减，=720 s时，火焰已完全熄灭，并且火源附近区域下降至与舱室内其它区域温度一致，舱室内温度场整体上呈现上高下低的分布。

发生火灾事故后不同时刻舱室壁面及平台甲板表面的温度分布见图7。

图7 舱壁及平台甲板表面温度分布

由于发电机舱空间相对较小，并且布置设备较多，舱室壁面及平台甲板的温度受火灾影响十分明显，考虑热传导及辐射热，机舱内高温壁面对设备及人员的安全影响不可忽略。

从图7中可以看出，=120 s时，受火灾的影响，火源正上方平台甲板区域开始升温，随着火势的发展，平台甲板上温度超过120 ℃的高温区域不断扩大，甚至在600 s至720 s间火势开始下降甚至熄灭后，舱室内火源附近温度场迅速下降，而平台甲板上高温区域却仍在向两侧扩展，平台甲板上温度超过120 ℃的面积持续扩大。因此，火焰熄灭后，舱室内平台甲板及其他壁面上的高温危害性不容忽视。

不同时刻舱室内火焰及烟气蔓延情况见图8，可以看出，火灾发生后，烟气不断通过平台甲板上开口进入舱室上半部分区域，大约=320 s时，烟气完全充满舱室。