艦船起火艙室對鄰艙的傳熱數值模擬

張光輝，夏子潮，晁小雨，浦金云

(海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033)

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艦船起火艙室對鄰艙的傳熱數值模擬

張光輝，夏子潮，晁小雨，浦金云

(海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033)

針對艦船火災中起火艙室對相鄰艙室的傳熱過程及臨艙的溫度分布問題，采用數值模擬方法，在合理假設的前提下，建立相鄰艙室的熱量傳遞模型，并采用FDS分析水平方向鄰艙傳熱過程和豎直方向鄰艙傳熱過程。模擬結果表明，起火艙室對鄰艙傳熱以艙壁與熱空氣的對流和艙壁內部的熱傳導為主，鄰艙中氣體溫度變化速度先快后慢，同一時刻，艙室內不同位置處溫度變化差異較大，冷艙壁吸收的熱流大部分來自于熱艙壁的輻射熱。

艦船；艙室；火災；傳熱

火災與爆炸是破壞艦船的主要原因之一[1]，近幾年來，也有許多艦船在日常維修、訓練中因起火而造成嚴重的經濟損失甚至人員傷亡。因此，火災消防工作已經成為了各國海軍艦船損管的主要內容。

火源與周圍環境間的傳熱過程是火災科學研究的一個重要方向。在火災發生閃燃后的5 min內，火災就有可能向水平方向或豎直方向蔓延[2]，因此，發生火災時，為防止火勢擴散，減小火災損失，需要盡快劃分防煙邊界與防火邊界。目前，國外學者Cooper針對具有不同幾何形狀的艙室進行了火災熱量研究，發現有60%～90%的熱量被艙壁吸收，當艙室具有較大的寬高比且頂棚較為水平時，艙壁接受的熱量較少，當艙室寬高比較小且頂棚形狀不規則時，艙壁接收的熱量較多。White等建立了艙室火災轟燃后向相鄰艙室傳熱的瞬態非線性方程，通過牛頓迭代求解出理論值，比較了不同對流換熱表面系數、氣體黑度與實驗結果的吻合情況，并發現熱艙壁對冷艙壁的傳熱中熱輻射占主導作用[3]。Ghojel以木垛火為火源，假設考慮了燃燒產物的輻射吸收率與輻射發射率，并通過建立能量守恒方程，計算了結構壁面的溫升過程，并與實驗結果進行了對比[4]。在艙壁結構材料傳熱方面，Kontogeorgos利用HTRAN代碼計算了石膏與鋼板復合結構在ISO834火災中的傳熱與傳質現象[5]。

總體而言，目前針對艦船火災的研究大部分集中在單個艙室內的火災發展及煙氣流動方面，對相鄰艙室間的傳熱研究較少。因此，考慮結合艦船艙室環境特性，研究艙室的傳熱機理，討論艙室火災轟燃后起火艙室氣體及艙壁的傳熱過程和起火艙室對相鄰艙室的傳熱過程及鄰艙的溫度分布，為解決艦船艙壁安全防護問題提供技術支撐。

1 鄰艙傳熱過程分析

1.1 單艙室火災能量守恒模型

根據能量守恒定律，火源釋放的熱量用于:

(1)

以煤油為例，燃燒熱為40.3MJ/kg，蒸發潛熱為0.857 40.3MJ/kg，因此，反饋到燃料用于蒸發的熱量與熱釋放速率比值為

(2)

對單室火災過程做出如下假設。

1)轟燃后艙室內上部分為熱煙氣，下部分為空氣，即單室火災的雙區域模型。

2)艙壁整個內表面的傳熱系數相同。

3)忽略鋼構件連接處和角落等產生的傳熱效應，認為艙壁邊界為一維傳熱過程。

則氣體吸收的熱量為

(3)

式中：Vg,u為上方氣體體積；cg,u為上方氣體比熱容；ρg,u為上方氣體密度；Tg,u為上方氣體溫度；Vg,l為下方氣體體積；cg,l為下方氣體比熱容；ρg,l為下方氣體密度；Tg,l為下方氣體溫度；T∞為環境溫度，即艙室內氣體初始溫度。

艙壁吸收熱量為

(4)

式中：cp,w為艙壁比熱容；A為艙壁內表面面積；δ為艙壁厚度；ρw為艙壁密度；Tw為艙壁溫度。

1.2 鄰艙傳熱模型

熱流從起火艙室與鄰艙間的艙壁傳出，通過輻射、對流的方式對鄰艙氣體和艙壁進行傳遞。對鄰艙傳熱過程做出以下假設。

1)鄰艙為封閉艙室，艙室內壓力恒定。

2)艙室內氣體視為灰體，溫度一致。

3)艙壁結構均為“熱薄型”，其中與起火艙室相鄰的艙壁稱為熱艙壁，其他5個壁面稱為冷艙壁。

4)假定艙壁為灰體，以有效輻射J簡化計算。

5)艙室內氣體被艙壁完全包圍，即視角系數Fh,g=1，Fc,g=1。

艙室的傳熱過程見圖1。

艙室內輻射的輻射換熱網絡見圖2。

根據基爾霍夫定律，流入每個節點Ji的熱流之和為零，從而可以列出熱壁面和冷壁面的有效輻射的方程[7]分別為

(5)

式中：Eh，Eg，Ec分別為熱壁面、氣體、冷壁面的輻射能。Ri相當于Ei與J之間的表面輻射熱阻，分別計算如下。

(6)

艙室內氣體吸收的熱量主要有熱壁面的對流熱、熱壁面的熱輻射、冷壁面的熱輻射，同時通過冷壁面的熱對流散失熱量。由鄰艙氣體壓強不變假設，因此可近似認為氣體的能量不變。可得氣體的熱平衡方程式。

(7)

式中：hcv,h→g和hcv,c→g分別為熱壁面和冷壁面對氣體的對流傳導系數。

同理，可以根據能量守恒得到冷壁面的熱平衡方程：

(8)

2 算例

建立艙室傳熱的CFD模型。假定火災場景為起火艙室通過水平或豎直向相鄰的艙室傳熱。根據相關模擬艙室實驗和前述數值計算結果，將熱源設定為2個艙室的交界艙壁，壁面材料為鋼板。由于火災中起火艙室的壁面溫度上升速度遠大于鄰艙的艙室氣體溫度上升速度，因此假設交界艙壁為熱源，初始溫度為600 ℃，其他壁面初始溫度為20 ℃。根據熱源艙壁的位置，將鄰艙傳熱分為水平方向傳熱和豎直方向傳熱2種情況[8-11]，具體見圖3。

2.1 水平方向鄰艙傳熱分析

在水平艙室傳熱模型中，艙室幾何結構長、寬、高為3.0、3.0和2.4 m，在X-Z平面對稱。為進一步量化研究溫度在水平方向的分布，在Y=1.5 m，Z=1.0 m的平面上每隔0.2 m設置了熱電偶。幾個不同位置上熱電偶溫度隨時間變化見圖4～7。

由圖4可見，水平方向上的熱電偶總體趨勢是在150 s左右達到溫度最大值，隨后逐漸下降，溫度降低速率逐漸減慢，最后達到熱平衡狀態。

根據溫度變化趨勢，做出同一時刻不同位置上熱電偶溫度變化情況，如圖5所示。由于已知溫度變化先快后慢，因此對時間進行了不規則的取值，即先密后疏，討論所選用的時刻分別為60 s、240 s、600 s、1 000 s、3 000 s和6 000 s。總體而言，熱電偶與壁面距離為2.5m以內時，溫度隨著距離增大而減小，可近似為線性關系。當距離大于2.5 m時，由于艙室上方熱空氣遇到豎直壁面后逐漸沉降，因此距離熱壁面越遠，溫度反而越高。但隨著艙室內氣體進一步混合，這種趨勢隨時間變化而逐漸減弱，最終在6 000 s時溫度達到一致。

圖6是作為熱源的熱壁面和其對面的冷壁面的溫度變化圖。從圖6可見，兩者變化都是先快后慢，熱壁面在5 500 s以后逐漸趨于平緩，而冷壁面溫度在3 500 s后也逐漸穩定。由圖6氣體溫度變化可以知道，6 000 s時熱壁面附近氣體溫度為62.5 ℃，仍與熱壁面存在溫度差，因此在熱壁面處還會繼續進行緩慢的對流換熱。最終熱壁面溫度穩定在140 ℃，冷壁面溫度穩定在51 ℃。

除了氣體溫度變化以外，艙壁接收的熱流及形式也影響了艙室內冷艙壁溫度的變化規律。與熱艙壁(xmin)相對的豎直冷艙壁(xmax)接收的熱流情況如圖7所示。

冷艙壁的對流傳熱先增大，后逐漸降低，呈現出與空氣溫度變化相同的趨勢，與對流換熱的理論結算趨勢相符。熱輻射的下降速度先快后慢，與熱壁面溫度變化趨勢相同，因此可以推斷豎直冷壁面接收的熱輻射大部分來自與熱壁面，少量來自于熱空氣。在數量方面，熱輻射最大為6.26 kW/m2，平均值為1.02 kW/m2，而對流熱最大值為0.68 kW/m2，平均值為0.185 kW/m2，對流熱僅為輻射熱的10%左右，因此可進一步驗證冷壁面主要依靠熱輻射升溫的推斷。

2.2 豎直方向鄰艙傳熱分析

在豎直方向傳熱模型中，所研究的目標艙室在起火艙室的正上方，即熱艙壁為z=0 m平面上的壁面。

在豎直方向上，選取距離地面(z=0 m)處0.1 m、1.2 m、2.4 m的熱電偶，其溫度隨時間變化如圖8所示。

從圖8中可以看出，距離熱壁面越近，溫度越高。3個位置的溫度在170 s左右達到最大值，分別為211 ℃、180 ℃、163 ℃。隨后溫度開始下降，下降速率與水平艙室傳熱的空氣變化規律相同，也是逐漸減小。

根據溫度在豎直方向上的變化，做出60 s、240 s、600 s、1 000 s、3 000 s和6 000 s時距離地面不同位置處的熱電偶溫度變化，見圖9。

t=60 s時曲線斜率最大，即各熱電偶間的溫度梯度最大。隨著時間發展，各個熱電偶間的溫度差逐漸減小，最終趨于相等，6 000 s時溫度穩定在80 ℃左右。

冷熱艙壁溫度的變化曲線見圖10。可以看出，豎直方向艙室傳熱中冷熱艙壁的溫度變化與水平方向傳熱的變化規律相似，對熱艙壁溫度變化進行對數擬合，發現溫度與時間之間的關系為

T=exp(a+bt+ct2)

(9)

取a=6.33 253，b=-4.093 91×10-4，c=3.159 29×10-8。

與熱艙壁相對的冷艙壁接收熱流變化見圖11。

可以看出，熱輻射最大為9.75 kW/m2，平均值1.58 kW/m2，而對流熱最大值為1.13 kW/m2，平均值為0.281 kW/m2，輻射熱流約為對流熱的5倍。與水平方向艙室傳熱的結果相比，對流熱所占比例增加。這主要是因為熱源表面與其對立面在豎直方向上平行，空氣對流時受到水平方向上的擾動小。因而冷熱空氣的動量在豎直方向上的分量較大，水平方向上的分量較小，加速了艙室內上下冷熱空氣的對流傳熱。同時根據傳熱系數的相關計算方法，水平壁面與豎直壁面的換熱系數不同，即從理論上也可以得到解釋。

3 結論

1)起火艙室對鄰艙傳熱以艙壁與熱空氣的對流和艙壁內部的熱傳導為主。其中，艙壁內部熱傳導為一維導熱問題，使用導熱系數小的材料作為艙壁可以有效減小對鄰艙的熱效應。增大對流傳熱系數，施加水霧噴淋也可降低艙壁溫度。

2)在鄰艙中氣體溫度變化速度先快后慢，總體而言，距離熱壁面越近，溫度越高。

3)在同一時刻，艙室內不同位置處溫度變化差異較大。當t=240時，溫度梯度最明顯。

4)在起火艙室相鄰的艙室中，冷艙壁吸收的熱流大部分來自于熱艙壁的輻射熱，僅有10%左右來自于對流熱。熱艙壁溫度變化可以通過對數函數擬合，進而對溫度變化進行預測。

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DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.003

Simulation of Heat Transfer of the Fire Compartment to the Adjacent Cabin in Ship

ZHANG Guang-hui, XIA Zi-chao, CHAO Xiao-yu, PU Jin-yun

(Power Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to study the heat transfer of the fire compartment of the ship to the adjacent cabin and the temperature distribution of the adjacent cabin, a model of heat transfer between adjacent compartments was established to simulate the heat transfer process in the horizontal and vertical direction of adjacent cabin respectively with FDS. The numerical results showed that the heat transfer of the fire compartment to the adjacent cabin is most about the heat convection between bulkhead and hot air and the heat conduction inside the bulkhead, the rate of temperature change in the adjacent cabin heat is rapidly at first and then slowly, at the same time, the cabin temperature at different locations are very different, the heat flux absorbed by the cold bulkhead comes mostly from the radiant heat of the thermal bulkhead.

ship; cabin; fire; heat transfer

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.002

2017-01-18

國家部委基金資助

張光輝(1979—)，男，博士，講師

研究方向：艦艇安全技術與工程

U698.4；X928.1；TK121

A

1671-7953(2017)03-0006-05

修回日期：2017-03-02