通風方式對大空間火災吸氣式煙霧探測效果的影響

肖霞，石芳菲

(中國船舶重工集團第七二六研究所，上海 201108)

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通風方式對大空間火災吸氣式煙霧探測效果的影響

肖霞，石芳菲

(中國船舶重工集團第七二六研究所，上海 201108)

采用模擬仿真技術分析大空間發生火災時，不同機械通風方式下，煙霧流動的特征規律，在一個防火分區內計算2種機械通風方式下探測響應時間。結果顯示，側面送風方式響應時間較頂上送風方式長，側面送風對整個空間煙霧擴散影響較大，在側面送風方式下，可以采用較小間距的采樣孔布置方案，以提高探測效率，縮短響應時間。

大空間；機械通風；吸氣式煙霧探測；響應時間

大型艦船內大空間不執行任務時，大空間往往沒有人員值守，一旦設備漏油并發生火災，對艦船安全將產生致命的影響。大空間內放置多項設備，遮擋現象嚴重[1]，為此采用主動吸氣式感煙探測系統作為早期火災探測報警的手段。吸氣式感煙探測器以其早期快速探測的優勢，非常適合安裝在大空間場所，其中安裝的吸氣式火災探測系統的具體設置要結合系統的設計規范，也要考慮該場所的通風系統的布置對其氣流和煙霧蔓延的影響。全尺度火災試驗是研究火災煙霧蔓延和探測效果最直接的方法，但是全尺寸火災實驗是一種毀壞性實驗，實驗成本很高，產生的煙霧毒氣對人體和環境有害，且具有一定的危險性。為此，考慮采用FDS仿真軟件分析通風氣流影響下的煙霧流動特征，計算吸氣式探測響應時間[2]。

1 設計仿真計算模型

仿真的空間結構模型為一個方空腔模型，模擬大空間某防火分區，模型尺寸設為長×寬×高=59 m×27 m×8 m。艦船大空間存在2種通風方式，上側面送風，下側面回風；頂上送風，下側面回風。通風口均設有172個，送風口86個，回風口86個，根據實際換氣速度，計算出風口風速均3.44 m/s，風口尺寸為0.25 m×0.25 m。見圖1。

靠近中心位置設置一個小型油盤，模擬大空間初期火災，油盤尺寸為0.25 m×0.25 m。采用穩定火源功率，為500 kW/m2，模擬計算時間為600 s[3]。根據《吸氣式感煙探測器設計、施工及驗收規范》(DB11/1026—2013)中相關規定進行設計探測系統布局，仿真模型中吸氣式煙霧探測器布置見圖2，其中黑色圓點為采樣孔，黑線為采樣管網，采樣孔之間間距為8 m。

2 計算分析

2.1 大空間火災煙霧蔓延特征研究

大空間火災時，煙霧蔓延的驅動力有燃氣的浮力、膨脹力及通風系統的影響等[4]。由于空間高大開闊，煙霧在氣流影響下彌散過程中的降溫效果明顯，將造成煙霧運動速度更趨緩慢，也將增加煙霧從火源位置到達采樣孔的時間，這些原因均將增加吸氣式煙霧探測器的響應時間。因此，有效認識通風系統影響下煙霧蔓延的特征是煙霧探測設計的基礎[5-6]。在采樣孔高度即7.5 m高度計算煙霧濃度值。不同時刻采樣孔高度的煙霧濃度分布見圖3。

由圖3可知，無論哪種通風方式，煙霧較難聚集，氣流對煙霧稀釋作用明顯，而這種作用，在側面送風方式下更為明顯，在240 s時刻，大半空間彌漫有煙霧，而特定區域濃度相對較小，而頂上送風方式下煙霧相對較集中，在特定區域濃度上升明顯，稀釋作用較弱，利于探測[7]。

在頂上送風方式下，煙霧向上蔓延速度明顯較快，到達采樣孔時間較短，煙霧容易聚集，假設煙霧從同一位置采樣孔傳輸至主機時間0相同，則在頂上通風方式時，探測效果明顯較好。

4個探測主機探測到的煙霧濃度變化見圖4。由圖4可得，在火災持續發生過程中，煙霧濃度呈現振蕩趨勢，數值上升較小，說明煙霧難以集聚。2種送風方式靠近火源的探測主機1均首先達到報警閾值0.2%obs/m，頂上送風方式下，探測主機3檢測濃度也上升明顯，由于頂上氣流切斷作用，煙霧向四周蔓延的趨勢不明顯，煙霧在主機1和3區域聚集，較易探測到火災。在側面送風方式下，探測主機3的檢測濃度也隨之略有變化，但由于側面通風口的氣流驅動作用，煙霧很快向四周蔓延，濃度降低，無法達到報警閾值。比較兩者濃度變化趨勢，煙霧在頂上送風方式下較易蔓延至探測器采樣孔，并呈現局部聚集狀態[8]。

2.2 吸氣式煙霧探測報警響應時間計算和分析

吸氣式煙霧探測器主要由氣體采樣管網和探測主機2部分組成，氣體采樣管上設置有采樣孔，由于探測主機內吸氣作用，管網內產生負壓，形成一個穩定的氣流。被保護區域內的空氣樣品入采樣孔，被濾掉灰塵后進入激光探測腔。在探測腔內特定的位置上安裝光源及接收器，激光源發出的光束照射到空氣樣品上，經三維成像將火災凝團與水分子團、灰塵等粒子區分。如果樣品中有煙霧凝團存在，光束將前向散射，散射光線經凹面反光鏡反射到高靈敏度光接收器，所產生散射的強弱變化量接受測量后經過處理計算，并結合測得的散射光信號脈沖數，空氣樣品中的煙霧凝團量。這些數據經“人工神經網絡”技術處理，對散的強度、角度、偏振等各參數綜合分析，與預先設定的報警閾值比較，如霧濃度達到警報級別則發出警報。

檢測吸氣式煙霧探測系統的設計是否為最優，應對其響應時間進行計算，不同通風方式，同樣的采樣孔柵格大小，對探測器響應時間的影響進行仿真模擬計算，結果見表1。

表1 2種通風方式探測時間計算結果

計算結果顯示，側面送風報警響應時間較頂上送風長，側面送風對整個空間煙霧擴散速度影響較大，由于大空間火災煙霧在較短時間內向整個空間蔓延，在探測器內煙霧濃度難以上升達到報警值，因此，報警響應時間較長。在側面送風方式下，可采用較密的采樣孔柵格能有效縮短探測響應時間。在送風方式改變成側面送風的情況下，可以采用較密的采樣孔布置方案，或者調整探測器的靈敏度，以提高探測效率，縮短響應時間。

3 結論

1)無論何種通風方式，發生火災時大空間內煙霧較難聚集，較難達到探測報警濃度閾值，采用較密的采樣孔柵格能有效縮短探測響應時間，提高探測效率。

2)該模擬項目只針對通風系統產生的氣流對探測效果的影響，其他遮擋、運動等因素的影響將在后續工作中不斷完善。

[1] LEBLANE D. Fire environments typical of navy ships[D]. Worcester Polytechnic Institute，1998：19-22．

[2] McGRATTAN K, KLEIN B．Fire dynamics simulator(version 5)user’s guide[M]．National Institute of Standards and Technology，U.S. Department of Commerce，2008.

[3] McGRATTAN K， HOSTIKKA S. Fire dynamics simulator(Version 5) technical reference guide[M]．National institute of standards and technology.U．S．Department of Commerce，2008．

[4] 蘇石川，王亮，聶宇宏，等.某船舶機艙火災發展過程的數值模擬與策略分析[J].消防科學與技術.2009，28(1)：15-19．

[5] 范維澄，王清安，姜馮輝，等.火災學簡明教程[M].合肥：中國科學技術大學出版社，1995．

[6] 陳國慶，陸守香，莊磊.船舶機艙油料火災的發展過程研究[J].中圖科學技術大學學報．2006，36(1)：91-95．

[7] 鄭春生,船舶火災及滅火救援的探討[J]，消防科學與技術，2011(6):536-540.

The Influence of Ventilation Mode on Aspirating Smoke Detection for Large Space Fire

XIAO Xia, SHI Fang-fei

(No.726 Research Institute of China Shipbuilding Industrial Corporation, Shanghai 201108, China)

By modeling and simulation of the fire scenario for large space, the characteristics of smoke flow with different mechanical ventilation mode was analyzed, and the detection response times using two ventilation modes in the same fire compartment was calculated. Results demonstrated that the response time with sidewall air supply is longer than roof air supply, and the way of sidewall air supply plays an important role in the smoke spread in whole space, with which the smaller distance layout pattern of sampling aperture could be used to improve the detection efficiency and reduce the response time.

large space; mechanical ventilation; aspirating smoke detection; response time

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.020

2017-01-18

國家部委基金資助項目

肖霞(1985—)，女，碩士，工程師

研究方向：艦船火災探測技術

U662

A

1671-7953(2017)03-0091-03

修回日期：2017-03-07