典型電纜火災(zāi)條件下煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬

彭玉輝

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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典型電纜火災(zāi)條件下煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬

彭玉輝

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：采用火災(zāi)專業(yè)數(shù)值模擬軟件，模擬船用狹長(zhǎng)通道電纜火災(zāi)，揭示火災(zāi)條件下火災(zāi)煙氣在電纜所在空間的遷移蔓延規(guī)律；在此基礎(chǔ)上對(duì)火災(zāi)探測(cè)器在電纜火災(zāi)的適用性進(jìn)行初步分析，旨在科學(xué)認(rèn)識(shí)電纜火災(zāi)煙氣遷移蔓延規(guī)律，合理選用電纜火災(zāi)探測(cè)裝置，提高船用電纜火災(zāi)安全性。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)煙氣；船用電纜；數(shù)值模擬；電纜火災(zāi)探測(cè)

現(xiàn)代化船舶自動(dòng)化、智能化和復(fù)雜程度越來(lái)越高，各種電纜得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于艦艇電氣設(shè)備負(fù)荷大，電纜又長(zhǎng)期工作在高溫、高濕和高鹽的環(huán)境下，老化嚴(yán)重，為故障多發(fā)部位，長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行易發(fā)生火災(zāi)事故[1]。根據(jù)艦船消防“早期探測(cè)，快速滅火”的要求，火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)抑制初期火災(zāi)并控制火災(zāi)的危害程度能起關(guān)鍵作用[2-3]。關(guān)于艦船、電纜火災(zāi)，有一系列研究工作[4-7]，但針對(duì)船用狹長(zhǎng)通道結(jié)構(gòu)內(nèi)電纜在火災(zāi)條件下的煙氣遷移蔓延規(guī)律研究較少。為此，從眾多船用電纜的使用結(jié)構(gòu)中選取狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)作為電纜火災(zāi)的研究載體，使用美國(guó)NIST開(kāi)發(fā)的FDS(Fire Dynamics Simulator)場(chǎng)模擬計(jì)算軟件對(duì)電纜火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。

1數(shù)值建模

1.1數(shù)值模擬軟件FDS簡(jiǎn)介

FDS通過(guò)數(shù)值方法求解 Navier-Stokes 方程，適用于計(jì)算低速、熱驅(qū)動(dòng)的流體流動(dòng)和火災(zāi)導(dǎo)致的煙氣流動(dòng)和傳熱過(guò)程。關(guān)于FDS的驗(yàn)證和確認(rèn)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)中FDS的開(kāi)發(fā)人員使用ASTME1355中的模型驗(yàn)證技術(shù)，來(lái)保證FDS所給出的數(shù)值解有足夠的精確。

1.2火災(zāi)場(chǎng)景描述

引燃電纜火源熱釋放速率的選擇依據(jù)相關(guān)電纜線束實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在輻射強(qiáng)度為30 kW/m2錐形量熱儀上獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖1。

圖1　相關(guān)單位面積熱釋放速率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取較高單位面積熱釋放速率446 kW/m2以及較低單位面積的熱釋放速率90 kW/m2，結(jié)合模擬電纜尺寸：L×W=4.0 m×0.28 m=1.12 m2，模擬分別設(shè)定恒定熱釋放速率為0.1、0.5 MW火源引燃狹長(zhǎng)通道內(nèi)置電纜，模擬電纜受外部火源影響下的相關(guān)火災(zāi)特性。電纜所在狹長(zhǎng)通道尺寸L×W×H=4.0 m×0.6 m×1.0 m；模擬電纜尺寸L×W×H=4.0 m×0.28 m×0.04 m。模型見(jiàn)圖2。

圖2　模型示意

數(shù)值計(jì)算的反應(yīng)為乙烯燃燒反應(yīng)；狹長(zhǎng)通道兩端設(shè)置為開(kāi)放邊界，其余處于封閉狀態(tài)；電纜模型設(shè)置為塑料與銅的混合物；相關(guān)熱物性參數(shù)：塑料，密度，1 500 kg/m3；比熱容：1.5 kJ/(kg·K)；導(dǎo)熱率,0.2 W/(m·K)；銅，密度8 940 kg/m3；比熱容，0.38 kJ/(kg·K)；導(dǎo)熱率，387 W/(m·K)。相關(guān)測(cè)點(diǎn)主要包括兩套探測(cè)裝置，分別探測(cè)模擬工況下電纜線束所在狹長(zhǎng)空間內(nèi)溫度場(chǎng)，以及CO質(zhì)量濃度場(chǎng)分布。其中CO質(zhì)量濃度與溫度測(cè)點(diǎn)探測(cè)位置重合。相關(guān)探測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

圖3　模擬工況相關(guān)測(cè)點(diǎn)布置位置示意

2結(jié)果分析

2.1火源熱釋放速率0.1 MW

與釋熱相關(guān)的參數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖4　與釋熱相關(guān)的參數(shù)變化趨勢(shì)

由以上系列與釋熱相關(guān)參數(shù)變化曲線圖可以看出，此工況下，電纜線束在模擬時(shí)間段內(nèi)幾乎沒(méi)有發(fā)生火災(zāi)蔓延現(xiàn)象，見(jiàn)圖5。

圖5　中間位置各層熱電偶溫度變化趨勢(shì)

由以上系列中間位置各層熱電偶溫度變化趨勢(shì)可以看出：同一水平方向上，距離火源地點(diǎn)越近，溫度越高。由于火災(zāi)煙氣遷移蔓延過(guò)程沿程的壁面散熱以及空氣摻混影響，溫度探點(diǎn)所測(cè)溫度值逐漸降低。同時(shí)注意到各層在近火源位置測(cè)點(diǎn)測(cè)得相對(duì)波動(dòng)較大的溫度值，這主要是因?yàn)榇藚^(qū)域位于火源處，火災(zāi)煙氣與火焰交替占據(jù)上方空間，火災(zāi)煙氣與火焰溫度值得差異造成了上述波動(dòng)現(xiàn)象。見(jiàn)圖6。

圖6　中間位置各層CO濃度變化趨勢(shì)

由圖6a)可以看出，在第1層水平位置，CO濃度基本一致；在第2、3層測(cè)點(diǎn)GAS0404、GAS04測(cè)得的CO濃度變化的現(xiàn)象可以解釋為：由于火災(zāi)煙氣受熱浮力作用上升至撞擊頂棚，繼而在頂棚上方發(fā)生射流現(xiàn)象，卷吸下部空間冷空氣，造成火災(zāi)煙氣層厚度增加。同時(shí)，由于火災(zāi)煙氣與火焰交替占據(jù)上方空間的現(xiàn)象造成GAS1004、GAS10測(cè)得的CO濃度值得波動(dòng)。

圖7　與釋熱相關(guān)參數(shù)變化趨勢(shì)

2.2火源熱釋放速率0.5 MW

由以上與釋熱相關(guān)參數(shù)變化趨勢(shì)圖可知，從模擬工況下第300 s開(kāi)始，熱釋放速率HRR有明顯增加，這可以從圖7b)看出主要原因——燃燒速率從第300 s開(kāi)始有明顯增加。這主要是因?yàn)楹愣嵩匆茧娎|，加速電纜火蔓延所致，可以從下面的云圖中看到此現(xiàn)象。見(jiàn)圖8。

圖8　模擬工況典型時(shí)刻3D Smoke云圖

可以看出，在第300 s時(shí)刻，電纜線束有明顯的燃燒加速蔓延跡象，燃燒速率從第300 s開(kāi)始有明顯增加。這也解釋了從模擬過(guò)程第300 s開(kāi)始，熱釋放速率HRR、輻射熱損失速率以及對(duì)流熱損失速率有明顯增加的現(xiàn)象。說(shuō)明在較大熱釋放速率火源情況下，如不采取適當(dāng)?shù)幕馂?zāi)抑制措施，將產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。另一個(gè)值得注意的點(diǎn)是，自300 s時(shí)刻起，隨著電纜線束燃燒的蔓延，電纜線束產(chǎn)煙量增大，繼而火災(zāi)煙氣開(kāi)始取代撞擊頂部的火焰占據(jù)電纜線束燃燒起點(diǎn)頂部位置。這也可以解釋圖9溫度曲線的變化情況。

圖9　中間位置各層熱電偶溫度變化趨勢(shì)

由以上熱電偶溫度變化曲線圖可知，各層布置的熱電偶測(cè)得的值總的趨勢(shì)是隨著與燃燒起點(diǎn)距離的增加而減少的。但是同時(shí)注意到，在對(duì)應(yīng)各層電纜線束燃燒起點(diǎn)頂部的溫度較該層其他測(cè)點(diǎn)的溫度有著明顯不同的變化趨勢(shì)。其主要原因如前述，在300 s時(shí)刻，隨著電纜線束燃燒的蔓延，電纜線束產(chǎn)煙量增大，繼而火災(zāi)煙氣占據(jù)電纜線束燃燒起點(diǎn)頂部位置，而火災(zāi)煙氣的溫度較之火焰溫度較小。所以，對(duì)應(yīng)各層電纜線束燃燒起點(diǎn)頂部的溫度在從第300 s開(kāi)始，隨著燃燒的加劇，溫度反而有下降的趨勢(shì)。見(jiàn)圖10。

圖10　中間位置各層CO質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)

由以上中間位置各層CO質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)圖總結(jié)出：縱向方向，CO的變化趨勢(shì)在電纜所在空間的上下部分存在幾乎相反的特征；在電纜所在上部空間，隨著距離起火點(diǎn)距離的增加，CO質(zhì)量濃度越來(lái)越大，即距離電纜起火點(diǎn)遠(yuǎn)端的CO質(zhì)量濃度較大。在電纜所在下部空間，隨著距離起火點(diǎn)距離的增加，CO質(zhì)量濃度越來(lái)越小，即在下部空間，距離電纜起火點(diǎn)近端的CO質(zhì)量濃度較大。這種CO在電纜所在空間的分布特點(diǎn)對(duì)安裝CO探測(cè)器有著重要的指導(dǎo)意義。

3結(jié)論

1)在引燃電纜的熱釋放速率相對(duì)較大時(shí)，0.1，0.5 MW電纜所在空間的溫度場(chǎng)顯示，電纜起火點(diǎn)上方溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)，主要是因?yàn)榇藚^(qū)域位于火源處，火災(zāi)煙氣與火焰交替占據(jù)上方空間，火災(zāi)煙氣與火焰溫度值的差異造成了上述波動(dòng)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象為差溫報(bào)警(即以溫升速率報(bào)警)火災(zāi)探測(cè)器在電纜火災(zāi)探測(cè)上的應(yīng)用提供理論支撐；

2)CO的生成被國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者當(dāng)成表征火災(zāi)發(fā)生的主要依據(jù)，因此CO火災(zāi)探測(cè)器在一些構(gòu)筑空間有著廣泛應(yīng)用。但是上述數(shù)值模擬結(jié)果顯示，CO在模擬區(qū)域存在著兩種顯著不同的分布規(guī)律，在電纜所在空間上部基本隨著距離起火點(diǎn)距離的增加，CO質(zhì)量濃度遞減；而在下部卻是隨著距離起火點(diǎn)距離的增加，CO質(zhì)量濃度遞增。這種規(guī)律說(shuō)明CO火災(zāi)探測(cè)器不能適用于狹長(zhǎng)通道電纜火災(zāi)，否則極易造成火災(zāi)的誤報(bào)。

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Numerical Simulations for Spread and Migration Law of Smoke under Cable Fire Conditions

PENG Yu-hui

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The professional fire simulation software is used to explore the spread and migration law of smoke under fire conditions in the long-narrow channel. Based on the simulation results, a preliminary analysis of fire detectors on the application of the cable fire is conducted. All these works aimed to improve the fire safety level of the marine cables.

Key words:fire smoke; marine cables; numerical simulation; cable fire detectors

中圖分類號(hào)：U698.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)02-0065-05

第一作者簡(jiǎn)介：彭玉輝(1977-)，男，碩士，工程師E-mail:phust@163.com

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.018

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶消防