載人航天器艙內(nèi)火災(zāi)煙霧分布規(guī)律數(shù)值模擬研究

胡海兵，王 彥，王 鋒，方 俊，王進(jìn)軍，張永明

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥230027）

1 引言

載人航天器是典型的孤立系統(tǒng)，要保證乘員的正常活動和儀器設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須采取措施控制其內(nèi)部環(huán)境。環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)（ECLSS）中艙內(nèi)環(huán)境通風(fēng)及其氣流組織方式會直接影響艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)的控制效果和熱舒適性[1]。

航天器艙是一個密閉而狹小的空間，艙內(nèi)的各種機(jī)電設(shè)備層疊密布，航天員的操作活動空間甚小，通暢性較差，個人逃逸受到限制，可利用的滅火資源非常有限，存在發(fā)生火災(zāi)的可能性。微重力密閉空間強(qiáng)迫通風(fēng)是載人航天器（包括空間站、載人飛船和航天飛機(jī)等）封閉艙內(nèi)的基本特征環(huán)境，微重力水平約為10-4g～10-6g。為保證航天員生存和舒適，艙內(nèi)保持氣壓約1atm、氧含量略高于21%、氣體流速0.2～0.8m/s[2]。一旦發(fā)生火災(zāi)，不僅會使航天員受到熱和毒氣的威脅，使艙內(nèi)設(shè)備及構(gòu)件受到損壞，而且還可能出現(xiàn)更多不可預(yù)見的險情。在早期火災(zāi)探測中“煙為火始”，目前載人航天器上較多采用的是光電型感煙和離子型感煙傳感器，由于微重力環(huán)境下，火災(zāi)煙霧早期特性和運(yùn)動分布規(guī)律與地面存在的較大差異，采用常重力下的感煙探測報警器布置方法必然導(dǎo)致誤報和漏報偏高。目前國內(nèi)外學(xué)者對微重力環(huán)境中材料的可燃性、環(huán)境對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽⒒馂?zāi)煙顆粒光散射理論、感煙探測器的選型及火災(zāi)煙霧探測識別算法等研究較深入，然而對微重力下強(qiáng)迫通風(fēng)火災(zāi)煙霧運(yùn)動及分布規(guī)律的研究還沒有相關(guān)報道。

微重力環(huán)境火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展及產(chǎn)物與常重力環(huán)境有明顯的差異[3，4]。有效的火災(zāi)探測能夠很好的防治火災(zāi)，使火災(zāi)在初起期可以通過相對簡捷高效的方式對其進(jìn)行撲滅。許多研究學(xué)者針對微重力環(huán)境火災(zāi)探測器的設(shè)計和選型進(jìn)行了一系列研究，得出了適合于航天器的火災(zāi)探測器[5-7]。然而，在微重力環(huán)境中由于缺乏自然對流，探測器不能與常重力環(huán)境一樣布置在頂棚位置處。因此需要開展微重力環(huán)境火災(zāi)煙霧運(yùn)動及濃度分布情況研究，指導(dǎo)火災(zāi)探測器的布置。基于火災(zāi)燃燒試驗的破壞性和火災(zāi)數(shù)值模擬軟件FDS在微重力領(lǐng)域研究的有效應(yīng)用[8-13]，本文采用數(shù)值模擬方法研究微重力環(huán)境艙室火災(zāi)發(fā)生發(fā)展和煙霧運(yùn)動及分布情況，為該環(huán)境下探測器的合理安裝提供理論支撐。

2 艙室介紹

模仿國際空間站實際艙體的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計并建立了1∶1的實體模型。實驗艙的主要功能是模擬空間站的主體結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)迫通風(fēng)煙霧流動情況，從而再現(xiàn)創(chuàng)造與實際空間站類似的結(jié)構(gòu)邊界條件與強(qiáng)迫通風(fēng)環(huán)境，為在此條件環(huán)境下分析火災(zāi)的行為特征規(guī)律，發(fā)展空間站火災(zāi)探測與滅火技術(shù)提供基本的試驗平臺。

實體圖與示意圖如圖1、圖2所示，實驗艙尺寸為：2m（長）×2m（寬）×4m（高），包括 1個中心位置的方柱形人員活動艙和4個弧形側(cè)面設(shè)備艙；強(qiáng)迫通風(fēng)系統(tǒng)包括6個45°斜向、變頻風(fēng)扇控制的40cm×40cm方形送風(fēng)口，以及與送風(fēng)口對應(yīng)的6個20cm×40cm回風(fēng)口。人員活動艙一端有供人員出入的2扇門，側(cè)面有實驗視頻觀測窗口，底面設(shè)備艙可布置各種場景火源，各個設(shè)備艙均可布置光電感煙探測器以采集各種實驗數(shù)據(jù)。

圖1 載人航天艙室實體圖

圖2 載人航天艙室示意圖

3 微重力強(qiáng)迫通風(fēng)環(huán)境煙霧輸運(yùn)規(guī)律

3.1 實驗艙強(qiáng)迫通風(fēng)條件下流場分布數(shù)值模擬

針對模擬實驗艙頂棚送風(fēng)口采用45°角斜向送風(fēng)，底板自然通風(fēng)的氣流組織方式，采用流體動力學(xué)模擬軟件FLUENT進(jìn)行數(shù)值計算，考察艙內(nèi)的氣體流動情況。由于艙室為對稱結(jié)構(gòu)，截取X=2m處的界面考察該種通風(fēng)方式對艙室氣流組織形式的影響。圖3為艙室內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。計算過程中使用控制容積法對N-S方程進(jìn)行離散。差值方案選擇Body Force Weighted格式，壓力-速度耦合方程用SIMPLE算法，動量、能量、k和ε方程選擇二階迎風(fēng)格式。選用的湍流模型為帶浮力修正的k－ε方程，壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法。

圖3 艙室內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖4 艙室X=2m截面氣流速度矢量圖

圖5 艙室X=2m截面氣流速度等值線圖

圖4和圖5分別為艙室X=2m截面氣流速度矢量圖和氣流速度等值線圖。從圖4可以看出，采用這種通風(fēng)方式，艙室內(nèi)流場分布均勻。國際空間站對艙室氣體流速分布的具體要求為：艙內(nèi)整場2/3的氣體流速0.051m/s～0.203m/s，最大不得大于1.02m/s，最小不得小于0.036m/s[14]。從圖5中可以看出，采用該種通風(fēng)方式可以使艙室內(nèi)氣流速度分布滿足要求，即滿足航天艙內(nèi)宇航員的熱舒適性要求。

3.2 實驗艙強(qiáng)迫通風(fēng)條件下火災(zāi)煙霧濃度分布數(shù)值模擬

3.2.1 燃燒材料選取

由于微重力環(huán)境中火災(zāi)主要是由導(dǎo)線、電路板、電子元器件等過流過載引發(fā)的，根據(jù)國外研究機(jī)構(gòu)在微重力環(huán)境中的試驗結(jié)果[15]，選取丙烷作為燃料代替典型可燃材料的燃燒率及產(chǎn)煙率。應(yīng)用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件 FDS（Fire Dynamic Simulation），修改其中相應(yīng)的材料參數(shù)代替導(dǎo)線等大部分可燃物的燃燒。該近似火源在微重力環(huán)境中的產(chǎn)煙參數(shù)如表1所示。

表1 丙烷燃料煙源參數(shù)

3.2.2 模擬實驗艙邊界條件和工況

艙體尺寸：4m×2m×2m，煙源尺寸：0.2m×0.2m，通風(fēng)情況：頂棚6個斜向45°角通風(fēng)口初速度0.3m/s及相對應(yīng)正下方的幾個相同尺寸的開口；溫度：293K；網(wǎng)格劃分：80×40×40=12.8萬個網(wǎng)格，計算時間：500s。由于航天艙室為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以火源位置選取在艙室底面中心和側(cè)壁中心位置處。考慮到國際空間站中有的艙室內(nèi)無強(qiáng)迫通風(fēng)，所以選取有通風(fēng)和無通風(fēng)的情況進(jìn)行對比分析（表2）。

表2 火源位置與通風(fēng)條件工況

3.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

為保證數(shù)值模擬的正確性和檢查的直觀性，在數(shù)值模擬過程中加入示蹤粒子，得到的通風(fēng)情況如圖6所示。火災(zāi)探測要求在1min～2min內(nèi)報警，故截取75s～100s時間段并對煙氣濃度取平均值，考查煙氣分布情況以指導(dǎo)探測器的選型和安裝。

圖6 通風(fēng)情況的直觀粒子示蹤圖

圖7和圖8為火源位于底面中心，無通風(fēng)情況（A2）和有通風(fēng)（A1）兩種工況煙氣濃度（mg/m3）分布數(shù)值模擬結(jié)果。對比兩圖可以發(fā)現(xiàn)，在無通風(fēng)情況下，由于在微重力環(huán)境中缺乏自然對流效果，所以煙氣呈半球型靠溫度梯度向外均勻擴(kuò)散，且在火源位置處煙霧濃度較高。當(dāng)有通風(fēng)情況時，強(qiáng)迫通風(fēng)氣流的卷吸和夾帶對煙霧濃度起稀釋的作用，所以煙霧最大濃度要低于工況A2，且在側(cè)壁及頂棚都有較高煙氣濃度分布。在數(shù)值求解過程中，由于初始計算條件的不同，得到如圖8所示的符合數(shù)學(xué)物理角度分析的分岔解[1]。

圖9和圖10為火源位于側(cè)壁中心，無通風(fēng)條件（B2）和有通風(fēng)條件（B1）下煙氣濃度分布。在無強(qiáng)迫通風(fēng)情況下，煙霧仍然在火源位置處聚集呈輻射狀向外發(fā)展。當(dāng)有強(qiáng)迫通風(fēng)時，由于側(cè)壁位置距離出風(fēng)口位置較近，因此對煙霧影響與火源在底板中心位置處不同，煙霧大部分集中在豎向高度0.5m位置以上，且頂棚出聚集的煙霧量要小于A1工況。

圖7 截面X=2m處75-100s平均煙霧濃度分布云圖

圖8 截面X=2m處75-100s平均煙霧濃度分布云圖

圖9 截面X=2m處75-100s平均煙霧濃度分布云圖

圖10 截面X=2m處75-100s平均煙霧濃度分布云圖

綜上所述，當(dāng)無強(qiáng)迫通風(fēng)情況，火源無論位于什么位置，探測器最適宜布置在火源位置附近。但是這樣難免要布置很多點，并且增加功耗。所以建議采用吸氣式進(jìn)行探測，即定期從空氣循環(huán)系統(tǒng)中吸氣到分析系統(tǒng)中進(jìn)行空氣質(zhì)量分析，并采用煙氣濃度、煙氣溫度、CO濃度進(jìn)行多信息融合探測報警。

從圖7-圖10的整個模擬結(jié)果表明，當(dāng)火源位于底板中心位置處，有強(qiáng)迫通風(fēng)的情況建議探測器布置在出風(fēng)口位置或者頂棚離送風(fēng)口約0.5m的位置，且應(yīng)對稱分布；當(dāng)火源位于側(cè)壁處且有強(qiáng)迫通風(fēng)條件時，由于強(qiáng)迫通風(fēng)的影響，煙氣向出風(fēng)口位置處移動，煙氣在頂棚也有聚集，建議感煙探測器布置在出風(fēng)口位置附近及頂棚距離送風(fēng)口0.5m位置處。

4 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，頂棚送風(fēng)口采用45°角送風(fēng)和底板自然通風(fēng)的通風(fēng)方式，當(dāng)送風(fēng)口初速度為0.3m/s時，其速度分布符合國際空間站要求，能夠滿足艙內(nèi)人員生活和設(shè)備散熱的需求。

（2）當(dāng)火源位于底板中心位置處，建議光電感煙探測器布置在出風(fēng)口位置或者頂棚離送風(fēng)口約0.5m的位置，且應(yīng)對稱分布；當(dāng)火源位于側(cè)壁處且有強(qiáng)迫通風(fēng)條件時，建議光電感煙探測器布置在出風(fēng)口位置附近及頂棚距離送風(fēng)口0.5m位置處。 ◇

［1］鄭忠海，張吉禮.載人航天器艙內(nèi)通風(fēng)空調(diào)特性和數(shù)值模擬.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)［J］，2005，24（4）：86-90.

［2］Jerry Jon Sellers.Understanding space:introduction to astronautics［M］.McGraw-Hill,2007.

［3］M.Paul,F.Issacci,I.Catton,G.E.Apostolakis.Characterization of smoke particles generated in terrestrial and microgravity environments［J］.Fire Safety Journal,1997,28（3）:233-252.

［4］Robert Friedman.Fire Safety in the Low-Gravity Spacecraft Environment.NASA Glenn Research Center,1999-01-1937.

［5］David Urban,Thomas Cleary,Zeng-guang Yuan etc.Detection of Smoke from Microgravity Fires［C］.35th International Conference on Environment Systems（ICES）,Rome,Italy,2005.

［6］Robert Friedman and David L.Urban.Progress in Fire Detection and Suppression Technology for Future Space Missions.NASA/TM—2000-210337.

［7］Knut Rygh.Fire Safety Research in Microgravlty:How to Detect Smoke and Flames You Cannot See.the Twelfih International System Safety Society Conference in New Orleans,Louisiana,1994.

［8］K.B.McGrattan,T.Kashiwagi,H.R.Baum,and S.L.Olson.Effects of Ignition and Wind on the Transition to Flame Spread in a Microgravity Environment.Combustion and Flame,106:377–391,1996.

［9］T.Kashiwagi,K.B.McGrattan,S.L.Olson,O.Fujita,M.Kikuchi,and K.Ito.Effects of Slow Wind on Localized Radiative Ignition and Transition to Flame Spread in Microgravity.In Twenty-Sixth Symposium （International） on Combustion,pages 1345 – 1352.Combustion Institute,Pittsburgh,Pennsylvania,1996.

［10］W.Mell and T.Kashiwagi.Dimensional Effects on the Transition from Ignition to Flame Spread in Microgravity.In Twenty-Seventh Symposium （International）on Combustion,pages 2635–2641.Combustion Institute,Pittsburgh,Pennsylvania,1998.

[11]W.Mell,S.L.Olson,and T.Kashiwagi.Flame Spread Along Free Edges of Thermally-Thin Samples in Microgravity.In Twenty-Eighth Symposium （International）on Combustion,pages 2843–2849.Combustion Institute,Pittsburgh,Pennsylvania,2000.

［12］K.Prasad,Y.Nakamura,S.L.Olson,O.Fujita,K.Nishizawa,K.I－to,and T.Kashiwagi.Effect of Wind Velocity on Flame Spread in Microgravity.In Twenty-Ninth Symposium （International） on Combustion,pages 2553–2560.Combustion Institute,Pittsburgh,Pennsylvania,2002.

［13］Y.Nakamura,T.Kashiwagi,K.B.McGrattan,and H.R.Baum.Enclosure Effects on Flame Spread over Solid Fuels in Microgravity.Combustion and Flame,130:307–321,2002.

［14］Fu Shiming,Pei Yifei.Influence of IMV on Space Station.World Academy of Science,Engineering and Technology[J],2009,58:831-835.

［15］John E.Brooker,David L.Urban and Gary A.Ruff,ISS Destiny Laboratory Smoke Detection Model.NASA Glenn Research Center,2007.