基于FDS的微重力條件下密閉艙細水霧滅火過程仿真分析

李文新，孫 鵬，楊慎林

（1.中國航天員中心，北京 100094；2.中國科學技術大學，合肥 230026）

基于FDS的微重力條件下密閉艙細水霧滅火過程仿真分析

李文新1，孫 鵬1，楊慎林2

（1.中國航天員中心，北京 100094；2.中國科學技術大學，合肥 230026）

文章應用火災動力學軟件（FDS）對微重力條件下載人航天器密閉艙細水霧滅火過程進行仿真分析，得到了電纜火災撲滅過程中艙內溫度和 CO的分布規律。結果表明，一定傾斜角度噴射細水霧不但會促進煙霧的擴散，還會為燃燒增加新鮮空氣，使撲滅過程趨于困難。分析認為，微重力環境中的細水霧滅火器噴霧粒徑應控制在100～150 μm，且使用時應使噴霧方向與火災面盡量趨于垂直。

火災動力學軟件；載人航天器；滅火；微重力；細水霧

0 引言

電氣火災作為在載人航天器、深潛器等密閉艙室內的典型火災形式已經受到廣泛關注。而航天器在軌飛行時的失重條件又使該火災的特點和地面有所不同，因此，研究微重力條件下電氣火災的特性和撲滅過程對于航天器在軌安全運行具有重要意義。

目前，對于電氣火災主要采用二氧化碳、氮氣、哈龍等進行滅火，其中：哈龍對環控系統會產生較為嚴重的腐蝕，且殘留物質不易清除[1]；而另外 2種氣體則會對艙內氧濃度造成沖擊且不易去除。楊立軍和鄒高萬等在對比分析了幾種不同類型滅火方式后，認為細水霧滅火在載人航天領域應用前景廣闊[2-4]，而NASA為研究細水霧滅火機理曾于“哥倫比亞號”航天飛機 STS-107任務中進行了細水霧滅火系統的搭載試驗[5]。趙建賀等已經對載人航天器密封艙內的細水霧滅火過程進行過數值研究[6-7]。本文在前人研究基礎上，立足工程應用中細水霧滅火器研制及未來可能的使用工況進行了進一步研究。

1 仿真建模

1.1 FDS軟件及算法

本文采用 FDS5.5.3軟件對細水霧滅火過程進行建模和數值仿真分析。這個版本的FDS程序對燃燒熱釋放速率、輻射熱傳導的計算更加精確，降低了模型對網格的依賴性。同時在網格劃分、墻體的熱傳導、燃燒模型、初始條件設置等方面都更加完善。燃燒模型使用一種能夠計算自然耗氧量并解析常數標量方程的綜合方法對可燃物中任一部位氣態物質的狀態比例進行計算和分析。火災增長和燃燒三維蔓延的細節研究不是FDS模型軟件所能夠解決的，也不在本文研究范圍之內。

1.2 模型介紹

在10 m×3 m×3 m的方形密封艙中建立仿真模型，設燃燒空間為L型，火災發生位置位于xy平面。初始環境溫度設為20 ℃。圖1中的粉紅色截面可以顯示CO體積分數以及溫度切面圖。在x=5 m、y= 1.5 m垂直截面上，詳細測量煙氣的能見度、CO體積分數和溫度場參數。在火源正上方高度從0.1 m到0.5 m，每隔0.1 m設置1個熱電偶，檢測火源上方的燃燒溫度。在火源正上方高度為1 m的位置設置1個細水霧噴頭，假設噴水量為4 L/min，霧化角為90°，熱容為4.184 kJ/(kg·K)，噴頭在仿真開始即噴水。模型網格大小為0.05 m×0.05 m×0.05 m。

圖1 FDS 仿真模型Fig.1 The simulation model of FDS

1.3 火災場景設計以及細水霧模型

火源模擬電纜火的燃燒，實際上是銅芯外面絕緣材料的燃燒。FDS軟件采用網格化劃分結構，因此本仿真將電纜火模型簡化為長1 m、寬0.2 m的平面火。假設燃燒速率增長為火災中較常見的t2增長類型，最大燃燒速率為500 kW/m2。細水霧噴頭采用垂直噴射方式。

2 不同粒徑過程分析

霧滴氣化后形成原體積1680倍的水蒸氣，最大限度地排斥火場的空氣，使燃燒因為缺氧窒息而受到抑制或中斷。雖然微重力環境下霧滴穿透火焰的能力減弱，但由于霧場范圍擴大，反而可以有效地隔絕與稀釋火焰周圍的氧氣，更大面積地對火源進行冷卻[8]。本文為獲得不同粒徑水霧的滅火效能，選取了2種典型細水霧滅火器的液滴粒徑（DV0.99）參數：DV0.99≤150 μm和DV0.99≤400 μm，并對它們進行滅火過程分析，仿真結果如圖2和圖3所示。

圖2 煙粒子以及細水霧粒子分布情況（DV0.99≤150 μm）Fig.2 The distributions of smoke particles and fine water mist particles

圖3 煙粒子以及細水霧粒子分布情況（DV0.99≤400 μm）Fig.3 The distributions of smoke particles and fine water mist particles

通過參考文獻[5]中的數值仿真結果可以看出，微重力條件下的火源燃燒情況與常規重力條件下不一樣。常規重力條件下，火源揮發出的可燃蒸氣與周圍空氣發生熱化學反應釋放出熱量，燃燒產生的熱羽流由于浮力的影響會向上運動，碰到頂部后再向四周擴散并下沉，形成頂棚射流。在火羽流運動的過程中會不斷地卷吸周圍新鮮空氣，并將煙霧粒子向周圍擴散蔓延[9-10]。而在微重力條件下，由于沒有浮力差，不會形成火羽流，并且由于缺少對流，燃燒需要的新鮮氧氣需要通過分子擴散運動補充，煙霧也通過分子擴散向四周蔓延。這樣火焰就會形成球形，煙霧籠罩在火焰周圍，緩慢地向四周擴散。但是細水霧噴射的細水滴由于不受重力作用，會以直線的形式向前運動，碰到器物后即附著在其表面，少量會反彈[8]。此時，煙霧可能會由于細水霧的碰撞沖擊作用在艙室內加速蔓延。

仿真過程中通過在火源上方設置的 5個熱電偶監測火源附近溫度，監測結果見圖4。

圖4 電纜火源正上方熱電偶溫度Fig.4 The temperature of thermocouple on top of the fire source

從圖4中可以看出，細水霧粒徑對于火焰上方燃燒溫度的影響主要有3方面：

1）在微重力環境下，煙霧的擴散由分子擴散占主導作用。因此，不同位置的熱電偶溫度隨與火源的距離不同而依次達到最高值后下降。DV0.99≤150 μm的細水霧明顯降低了火源上方的熱電偶溫度，并且對于較高位置的降溫效果更加明顯，從2號熱電偶以上位置處的溫度普遍低于50 ℃。這說明對于微重力環境下的燃燒，細水霧能夠明顯降低煙霧的溫度。

2）通過比較各個熱電偶的溫度在燃燒穩定時期的均值可以得到，細水霧液滴粒徑越小，在燃燒穩定時期的煙霧溫度越低。

3）在燃燒穩定時期，通過觀察煙霧溫度曲線的波動值，可以得到，隨著細水霧粒徑的增大，煙霧溫度的波動幅度隨之增大。這是由于較大顆粒的細水霧液滴對于煙霧的擾動作用更大。較小的煙霧擾動是有利于煙霧的控制的，尤其是在微重力這種極端環境下，平穩的火災煙霧更利于滅火。因此，較小的細水霧液滴更加有利于撲滅火災。

根據以上仿真結果，在進行有害氣體CO的分布研究時，選取DV0.99≤150 μm的水霧與無水霧情況進行對比，在密封艙x=5 m處設置監測截面。圖5顯示了噴霧60 s時CO的分布云圖。

圖5 60 s時，x=5 m截面CO濃度分布云圖Fig.5 At 60s, the concentration distribution of CO on the cross section ofx=5 m

圖5中黑色線為CO體積分數為5×10-4的等值線。在無細水霧影響時，該等值線主要圍繞在煙霧外邊緣，將煙霧及火源圍繞成半橢圓形；有細水霧時，受細水霧的影響，CO在艙內較為分散，該等值線圍繞的范圍非常小，集中在火源附近。

通過上述仿真分析可見，細水霧明顯抑制了燃燒，粒徑較小的細水霧有助于降低煙霧的溫度以及CO體積分數，提高對火災的抑制和撲滅效果。

3 細水霧斜角噴射的仿真分析

航天器在軌運行過程中，受電纜和設備等空間條件限制，且在微重力環境下滅火時，航天員很難保證將細水霧對火源垂直噴射，因此有必要對細水霧噴射角度對滅火效果的影響進行分析。設細水霧粒徑DV0.99≤150 μm。圖6是細水霧噴頭噴射方向與燃燒平面夾角分別為 45°和 90°時熱電偶的溫度變化情況。

圖6 細水霧噴頭噴射方向與燃燒平面不同夾角情況下火源正上方溫度Fig.6 The temperature on top of the fire source for different spray angles

由圖6可見，細水霧噴射方向與燃燒面垂直時，火源上方的溫度降低十分明顯；而細水霧噴射方向與燃燒面夾角為45°時，第2、3、4、5號熱電偶處的溫度受到明顯抑制，而1號熱電偶處的溫度反而比沒有細水霧時溫度有所升高。這是由于細水霧在降溫的同時，會擾亂電纜火周圍的空氣，為燃燒增加新鮮空氣，促進燃燒。并且，在微重力條件下，細水霧液滴還會促進煙霧向外擴散。因此，為了抑制燃燒，降低煙霧溫度，細水霧噴頭方向與燃燒面夾角越接近垂直越有利。

4 結論

1）在現有加工和工藝水平條件下，細水霧粒徑越小，則噴霧液滴對于煙霧的擾動作用越小。而較小的煙霧擾動在微重力條件下更有利于煙霧的控制，平穩的火災煙霧更利于滅火。因此，較小的細水霧液滴更加有利于撲滅火災。

2）細水霧噴霧以斜角噴射，會擾亂火源周圍的空氣，不但會促進煙霧的擴散，還會為燃燒增加新鮮空氣，使撲滅過程趨于困難。滅火時應使細水霧噴頭與燃燒面夾角盡量趨近垂直。

3）微重力條件下使用細水霧滅火可減少產生的煙霧和CO，并且細水霧液滴還有助于煙霧快速擴散到煙霧和CO氣體感測傳感器，以及時報警。

（References）

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（編輯：馮露漪）

Simulation of fire fighting in airtight cabin under microgravity conditions based on the FDS

LI Wenxin1, SUN Peng1, YANG Shenlin2
(1.Astronaut Center of China, Beijing 100094, China; 2.University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In this paper, simulation of the water mist is carried out by the fire dynamics software (FDS) to study the fire extinguishing process in the airtight cabin of a manned spacecraft under microgravity conditions.It is found that the water mist at a certain angle would not only promote the proliferation of the smoke, but also make the fire fighting operation difficult, because the fresh air would promote the combustion process.The temperature and the concentration of the carbon monoxide in the process of putting out the cable fire are obtained.Analysis shows that the particle size of the water mist in the gravity environment should be controlled between 100 and 150μm, and the spray direction should be perpendicular to the plane where the fire happens.

FDS; manned spacecrafts; fire extinguishment; micro-gravity; water mist

TU892; TP391.9

：A

：1673-1379(2016)05-0505-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.008

李文新（1986—），男，碩士學位，主要從事航天器環境控制與生命保障系統研制工作。E-mail: 364178946@qq.com。

2016-03-23；

：2016-09-20

國家青年科研試驗基金項目（編號：2014SY54C0901）