艦船機艙火災煙氣自然充填特性模擬實驗

吳曉偉，張博思，張鳳香，陸守香

(1.海軍裝備研究院，北京100161;2.中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥230027)

0 引 言

火災是影響艦船安全性和生命力的重要威脅之一，它不但會對艦船自身造成巨大損害，也會造成嚴重的財產損失和人員傷亡［1－2］。在艦船各類火災中，機艙火災具有發生頻繁、危害性大及撲救難度大等特點［3－4］。

火災煙氣具有遮光性、毒性和高溫等特點。火災發生時，煙氣是影響艦員安全和艦船順利執行任務的主要威脅之一。火災煙氣主要會對艦船內人員和設備造成以下3個方面的傷害:首先煙氣的遮光性導致艦員在逃生過程中容易迷失方向，無法尋找到正確的出口，延滯了安全逃生的時間;其次，煙氣中含有較高濃度的一氧化碳等有毒氣體，當吸入一定量后艦員會出現休克甚至死亡;再次，火災產生的高溫煙氣可能造成艦員呼吸道和皮膚的灼傷，甚至導致艦船設備的失效。因而認識機艙火災煙氣特性對于提高艦船消防安全水平具有重要意義。

發達國家海軍較早地開展了艦船火災煙氣研究。美國海軍研究生院進行了一系列的艦船火災實驗，并利用區域模擬程序研究了火災煙氣在艙室內的蔓延［5］。美國科學家曾利用鹽水實驗模擬了海軍艦船艙室火災煙氣運動的規律，取得了較為滿意的結果［6］。我國相關學者對艦船艙室煙氣流動也進行了模擬研究［7－10］。但人們對封艙情況下機艙火災煙氣的充填特性還缺乏直觀認識。本文利用實驗手段研究機艙模型中火災煙氣在無通風條件下的自然充填規律，以評價機艙火災煙氣的環境危害特性。

1 實驗方法

1.1 模型機艙

實驗采用的小尺度艦船模型機艙見圖1。模型機艙整體尺寸為3 000 mm(L)×3 000 mm(W)×750 mm(H)，機艙頂棚煙道空間尺寸為1 250 mm(L)×1 625 mm(W)×625 mm(H)。內部柴油機布置見圖2。在本實驗中，通風口、排煙口以及通道口等對外開口均處于關閉狀態，以模擬機艙封艙情況下的火災煙氣運動特性。

圖1 艦船機艙模型Fig.1 Model of ship engine room

1.2 測量系統

為研究火災煙氣的自然充填過程，本實驗中測量了艙室內的氣體溫度、煙氣成分和通道處的煙氣能見度。系統中共布置3 束熱電偶，用于測量模擬機艙內不同位置處的氣體溫度，每束熱電偶包括6 支10 cm 長的K型熱電偶。3 束熱電偶分別布置在右舷艙壁中央、右舷角落和前端艙壁中央3個位置，從上到下依次命名為TC1～TC6，TC7～TC12和TC13～TC18，具體位置見圖2。各熱電偶樹中，位于最上方的熱電偶距離艙室頂板10 cm，最下方的熱電偶距離艙室地面15 cm，其他位于中間的熱電偶以10 cm的間距均勻布置。為監測實驗過程中火焰狀態并獲得最終熄滅時間，在油盤正中央距離液面5 cm 高度處布置了1個熱電偶，標號為TC19。采用煙氣分析儀測量羽流頂部的O2，CO和CO2等氣體濃度隨時間的變化過程，氣體濃度測量點見圖2。采用激光消減法的原理測量艙室內通道處的煙氣能見度變化過程，光源為650 nm的紅色點激光源，布置在左舷艙壁上50 cm 高度處，距離后艙壁80 cm。測量系統的具體布置形式如圖2所示。

圖2 測量系統布置圖Fig.2 Sketch of the experimental set-up

1.3 實驗工況

通常油池火和噴射火被認為是機艙火災的2 種典型火源。本研究采用油池火作為火源類型。作為機艙內最為常見的可燃物，柴油具有較高的熱值，同時燃燒過程中煙氣產生量較大，對艙室內的能見度、有毒氣體的濃度以及溫度均有嚴重的影響。因而選用型號為－10#的柴油作為本實驗的火源。

本研究使用10 cm，20 cm和30 cm 三種直徑的油池火作為實驗火源，油池內初始燃料高度均為4 cm，在實驗過程中不進行燃料補充，因而燃料的液面隨著燃燒的進行不斷下降，直至燃料耗盡或火焰由于艙內氧氣濃度過低而出現自熄滅。火源放置于機艙地板中央位置，如圖2所示。具體的實驗條件及主要實驗結果見表1。為得到較為準確和可信的實驗結果，每個油盤直徑的工況重復進行3 次實驗，實驗結果分析中所采用的數據均為3 次重復實驗的平均值。

表1 實驗工況及結果Tab.1 Experimental scenarios and results

2 實驗結果與討論

2.1 實驗現象

圖3為10 cm，20 cm和30 cm 三種油盤直徑條件下，典型時刻柴油池火燃燒過程的錄像截圖。從圖中可以看出，隨著油盤直徑的增大，燃燒劇烈程度以及艙室內煙氣濃度都隨之增大。對于直徑為10 cm柴油油池火的工況，整個實驗過程中，火焰一直在中部2個發動機模型之間穩定燃燒，艙內煙氣濃度較低，從油盤被點燃至火焰熄滅的整個過程都能清楚看到火焰和機艙內的柴油機模型;當油盤直徑增大到20 cm 后，燃燒變得劇烈，在420 s 時火焰高度明顯已經超過了相鄰的發動機模型高度，同時火焰發生了“水平膨脹”，與發動機模型產生了“碰撞”，同時模擬機艙內的煙氣濃度迅速增大，能見度下降;當油池直徑為30 cm 時，燃燒猛烈程度繼續增大，艙內能見度快速下降，180 s 后的錄像已經無法分辨發動機模型位置，420 s 后已幾乎無法看清模擬艙內的火焰。

在整個燃燒過程中，油盤直徑為10 cm的工況中煙氣濃度較低，火焰能夠被清晰的拍攝，因此該工況的燃燒時間可根據錄像獲得。而當油池直徑為20 cm和30 cm 時，由于煙氣濃度較高，燃燒后期已經無法拍攝到火焰的存在了，因而本研究中這2個工況的燃燒時間通過在火源上方設置熱電偶(TC19)來獲取。當燃燒進行時，TC19 測得的溫度為火焰溫度，在實驗中通常高達500 ℃而當火焰熄滅時候，TC19 測得的溫度為艙室內的氣體溫度，因此TC19 測得的溫度出現突降的時刻即可認為是火焰熄滅的時刻。基于以上分析方法，得到油盤直徑為10 cm，20 cm和30 cm的工況，燃燒時間分別為:1 200 s，900 s和660 s。由此可以看出，在無通風條件下，隨著油盤直徑的增大，燃燒時間縮短。

圖3 各種直徑下的火災發展過程Fig.3 The fire growth for different pool fires

2.2 煙氣溫度

艙室內氣體溫度的測量和分析對于研究無通風條件下火災煙氣在模擬機艙內的沉降特性以及了解煙氣對船體結構和人員的危害程度有著重要的作用。火災發生后，煙氣在浮力的驅動下迅速上升，到達頂棚后形成頂棚射流開始向四周蔓延，并在頂棚下方集聚而發生沉降，艙室內不同高度處的熱電偶溫度測量結果可用于分析火災煙氣在艙室內的填充過程。油池直徑為10 cm的工況中右舷中央處熱電偶樹測得的氣相溫度隨時間變化曲線如圖4所示。由圖可以看出，艙室上部溫度相對較高，而下部區域溫升較為一致。圖5 顯示了3 種直徑的油池火工況中，不同位置處的最高溫度在豎直方向上的分布情況。

由圖4和圖5 可以看出，在本研究的實驗條件下，艙室內的溫升均處于較低水平。直徑為10 cm的油池火僅使艙室內的溫度上升至33℃，隨著火源直徑的增長，艙內溫升相對增大，但火源直徑為20 cm和30 cm的油池火也僅使得火源艙溫度升高至56 ℃和83 ℃。較低的煙氣溫度對于人員逃生和設備的安全都是有利的，但對于以溫度作為閾值的火災探測器及時動作是不利的，容易導致火災漏報現象的發生。

由圖5 可以發現，艙室內不同位置處的熱電偶在火災中的溫升情況有所不同。右舷中央和右舷前角處的氣體溫度相差不大，前艙壁中央的溫度較其他兩處要高，這主要是因為前艙壁距離火源較近，同時前艙壁與火源之間無發動機模型遮擋。這說明火災艙室內障礙物會阻礙火災煙氣的流動，從而造成被遮擋區域的溫度相對較低。

另外，圖5 顯示艙室內在豎直方向上不存在明顯的溫度分層現象。溫度在豎直方向上分布的均一，表明煙氣分層現象在封閉條件下不如普通建筑空間火災中那樣顯著。由于煙氣溫度和冷空氣之間的溫差較小，因而熱浮力不大，難以維持穩定的煙氣層。煙氣下降速度很快，迅速填充了整個封閉的機艙區域，從而形成較為均一的艙內環境。

圖4 10 cm 直徑油池火中右舷中央處的溫度分布Fig.4 Temperature profile at the center of starboard for 0.1 m fire tests

圖5 不同直徑油池火中艙內的溫度分布Fig.5 Temperature profiles at various locations for different fire tests

2.3 氧氣濃度變化

火災煙氣中氧氣濃度也是重要的火災指標之一，火災過程中，起火艙室內氧氣濃度的下降會導致人員窒息甚至死亡。本實驗利用煙氣分析儀測量了模擬機艙頂部區域火災煙氣中的O2，CO 及CO2濃度。隨著火災的進行，艙室內的氧氣濃度逐步降低，CO和CO2濃度隨之升高，三者的變化趨勢一致，因此本研究中僅給出不同工況中艙室上部區域氧氣濃度隨時間的變化曲線，如圖6所示。由圖可以看出，火源直徑越大，煙氣中的O2含量下降的越快，同時氧氣濃度的最低值越小。0.1 m 直徑的油池火中，在燃燒后期，氧氣濃度降低到17%;當油池直徑為0.2 m 時，O2、CO和CO2的濃度分布為13%、510 ppm和1.9%。當油池直徑為0.3 m 時，這3 種氣體的濃度變為2%，1 090 ppm和3.9%。

圖6 不同直徑池火實驗中氧氣濃度的變化過程Fig.6 Oxygen concentration histories for different fire tests

2.4 能見度

火災煙氣的遮光性會導致火場內能見度的降低，從而對船員逃生和救火行動造成了影響。本實驗采用激光消減法測量了模擬機艙內左舷側距地面0.5 m 高度處能見度隨火災發展的變化情況。圖7 顯示了不同火源條件下能見度的變化過程。由圖7 可以看出，在3 種油池尺寸的實驗中，艙室內能見度在點火后均出現了快速下降，這說明煙氣撞擊頂棚后，在艙室內的填充速度較快。隨著燃燒的進行，火災煙氣濃度增大，艙室內能見度進一步降低。對于直徑10 cm的柴油池火，起火后300 s，艙內能見度下降至5.7 m 左右，隨后維持在這個程度直至火焰熄滅;火源直徑為20 cm 時，艙內能見度在起火后約210 s，下降至2.8 m;當火源直徑為30 cm 時，艙內能見度在起火后約160 s，下降至2 m。對于封閉艙室內能見度沒有隨著燃燒的進行而繼續降低的現象，可能是由于火源相對較小，煙氣層與下層空氣層之間的溫差不大，難以維持煙氣層穩定在一定高度并進行積累，從而使煙氣不斷下降而造成的。

圖7 不同火源大小模擬機艙內的能見度Fig.7 Visibility histories at corridor for different fire tests

3 結 語

在模擬機艙中開展了無通風條件下的柴油池火實驗，研究火災煙氣在封閉艙室內的自然充填過程。在3 種尺寸的油池火實驗中，測量了艙室內的溫度、煙氣濃度及能見度的變化過程。實驗結果表明:

1)在無通風情況下，艙室內的溫度隨火源的越大而升高，但其值不高，對設備的危害小，可能影響感溫探測器火源的及時響應。艙室內溫度分布在豎直方向上較為均勻，表明煙氣豎直分層現象不明顯，然而在水平方向上由于有發動機模型的遮擋和阻礙，導致艙室內水平方向上溫度分布不均勻。

2)模擬機艙內頂部區域煙氣中的氧氣濃度在實驗過程中會明顯降低，且實驗中測得的最低氧氣濃度隨著油池直徑的增大而減小。當火焰直徑為0.3 m 時，艙室內頂部煙氣中的氧氣濃度下降至2%。

3)能見度最低值以及達到最小能見度的時間均隨火源直徑的增大而降低。在實驗過程中發現，無通風情況下，模擬機艙內的能見度下降速度很快，當火源直徑為0.3 m 時，燃燒160 s 后的能見度即下降到約2 m，這會對人員逃生產生極為不利的影響。

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