基于FDS的船舶貨物轉運通道火災模擬研究

付云鵬 李 艇

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

基于FDS的船舶貨物轉運通道火災模擬研究

付云鵬 李 艇

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

為明確船舶貨物轉運通道內火災的蔓延特性，利用FDS（Fire Dynamicsimulator）火災模擬軟件建立某船貨物轉運通道數值仿真模型并進行模擬仿真。根據仿真結果分析該通道內發生火災時煙氣的擴散情況，研究該區域溫度及能見度的變化規律，獲得通道內溫度及能見度超出人員承受范圍的時間。研究結果可為船舶發生火災后人員疏散策略及消防預案的制定提供指導和理論依據。

船舶；轉運通道；FDS軟件；火災模擬

引 言

火災與浸水、碰撞一起構成威脅船舶安全的三個重大問題。據國際海難救助協會的一項調查表明，進入20 世紀 80 年代，因火災、爆炸所造成海難事故的比例逐年上升。在船舶設計過程中，火災的防止與抑制已成為一項重要內容。為了降低火災造成的損失，船舶通常采取水消防系統、泡沫滅火系統、氣體滅火系統、艙室噴淋滅火系統，干粉滅火系統等多種滅火措施來對火災進行抑制［1-2］；同時制定完整的消防預案及人員疏散策略來應對可能發生的火災，保障乘客及船員的人身安全。本文以某船舶的貨物轉運通道為研究對象，分析火災后未采取滅火措施情況下該通道內煙氣及溫度的變化規律，研究煙氣及溫度的擴散機理，為消防預案及人員疏散策略的制定提供理論依據，并為下一步通道內消防系統的設計奠定基礎。

1 FDS模擬技術

FDS是由美國NIST（National Institute of standards and Technology）開發的一款三維CFD軟件，可以計算燃燒所引起的流動及傳熱問題。該軟件以大渦模擬為基礎，采用數值方法求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動的Navier-stokes（N-S）方程［3］。FDS能較好的模擬煙氣運動，計算火災導致的熱煙傳播過程［4］。FDS所求解的基本控制方程如下［5］：

質量守恒方程：

組分守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ為氣體密度；u為氣體速度；Yl為組分l的質量分數；Dl為組分l的傳質系數；為組分l的質量流量；p為氣體壓力；g為當地重力加速度；f為作用在流體上的外部力（除重力外）；τ為粘性力張量；h為焓值；qr為輻射熱通量向量；k為空氣的熱傳導率；T為氣體溫度；hl為組分l的焓。

2 模型的建立

2.1 物理模型

為模擬船舶貨物轉運通道火災蔓延情況，參照某船貨物轉運通道實際尺寸在FDS軟件中進行建模（見圖1）。模型主體結構和分隔構件材料均為鋼鐵，在兩側通道左端均設有防火門，仿真過程中認為兩個防火門為打開狀態。

2.2 邊界條件設置

模擬通道區設有進風口2個，尺寸均為0.7m×1.0m，對稱分布于通道中間區域側壁上，具體位置如圖1所示；排風口數量為2個，尺寸均為0.7m×1.0m，分別位于通道中間部位頂棚下部，具體位置如圖1所示。根據相并規范要求，火災發生時，進風機和排風機均要并閉，因此在模擬過程中，進風口和排風口的實際風量均設置為0。

根據火源辨識分析，該區域可能發生火災的最大火源功率為10mW，火源為油池火，設定于模擬通道區靠右側地面上（見圖1）?？紤]人員疏散及滅火時間限制，仿真時間定為600s。由于所模擬通道區域沿船長方向跨度較大，因此在進行煙氣層高度及溫度變化分析時，在沿船長方向上，按照距離火源由近至遠，將整個模擬區劃分為區域3、區域2及區域1三個區域進行分析（如圖2所示）。

3 模擬結果分析

3.1 煙氣蔓延情況分析

仿真時間內，通道區煙氣的蔓延情況以及煙氣層高度隨時間的變化曲線如圖3和圖4所示。

由圖3可見，當100s時，隨著火焰的逐漸增大，煙氣開始向非著火側蔓延；當200s時，火焰進一步擴大，煙氣生成量大且擴散快，基本已經布滿整個通道區；320s時，由于火源附近氧氣不足，火焰基本熄滅；直至600s時，仿真結束，煙氣彌漫在整個通道區。

由圖4可見，在沒有進風和排煙的情況下，通道區域內煙氣下降速度很快，離火源由近到遠的區域3、區域2和區域1中煙氣層高度下沉至臨界高度2m的時間分別約為70s、100s和140s。350s時，三個區域內的煙氣層下降至最低位置，約距地面0.5m。

在有限空間內，煙氣隨著火焰的擴大而快速生成并累積，繼而迅速擴散至整個空間。在火災發生約320s時間點附近，起火點處火焰逐漸由于氧氣不足而熄滅，煙氣量在350s左右達到最大，不再有新的煙氣產生。此時，煙氣通過通道左端與外界連通的2個防火門慢慢排出。因此350s后，區域2和區域1的煙氣層高度逐漸上升，但因為防火門面積有限且煙氣流動為自然對流，排出較慢，直至600s時仿真結束，各區域煙氣層高度仍位于2m以下。

3.2 溫度變化規律分析

仿真時間內，通道區距地面2m截面上溫度分布如圖5所示。

由圖5可以看出，130s時，區域3和大部分區域2的溫度達到60℃，而區域1內的溫度還相對較低；190s后，1、2、3區域2m高度截面上的溫度均達到了60℃。320s后直至600s時仿真結束，所有區域2m高度截面上的溫度基本均維持在為60℃以上。

火焰發生初期，火焰附近（即區域3）的溫度會受火焰的熱輻射而迅速升高，而此時區域2由于高溫煙氣的擴散，溫度升高也較快。區域1因為距離火源較遠，且根據圖3，130s時該區域還未受到高溫煙氣的大范圍影響，因此溫度相對較低。190s后，隨著高溫煙氣彌漫至整個通道區域，整個通道區在火焰熱輻射和高溫煙氣對流傳熱的影響下，溫度均上升至60℃以上。320s左右，火焰熄滅，但是因為有限空間內氣體熱慣性較大，一直到600s時仿真結束，通道區溫度仍保持在60℃以上。此種狀態下，人員無法進入通道區進行滅火，同時區域內其他可燃物品及周圍艙室內的可燃物品可能被引燃，導致火災影響進一步擴大。

3.3 能見度變化規律分析

仿真時間內，通道區距地面2m截面上能見度分布如下頁圖6所示。

由圖6可見，100s時，火源周圍區域3的能見度已達到臨界水平10m；140s時，區域2的能見度下降到10m；180s后直到仿真結束，整個通道區所有區域2m高度截面上的能見度均下降至10m。

根據以上分析，能見度的變化規律與煙氣的擴散規律基本相同。當70s時，區域3內煙氣層高度下降至2m，該區域內2m截面處的能見度最先降至10m以內；100s至140s時，區域2和區域1內的能見度也逐漸降低。180s后，隨著煙氣布滿整個通道區，通道區域內2m截面處的能見度均降至10m以內。

4 結 論

本文對某船貨物轉運通道區可能發生的典型火災進行無滅火措施干預狀態下模擬仿真。仿真結果表明：各個區域煙氣層高度在火災發生后140s左右降至對人體產生影響的距離地面2m處；130s后，溫度將大面積達到60℃以上；而能見度在140s后大面積下降到10m。因此，該貨物轉運通道區內人員可用安全疏散時間約為130s，消防無并人員應盡量在火災發生后130s內離開該區域，以保證其人身安全并避免妨礙消防滅火；消防人員進入滅火的最佳時間也在130s內，及時采取滅火措施，以防止火勢進一步擴大。

本文所建立的模型和獲得的仿真結果可以作為火災發生后人員疏散策略及消防預案制定的指導和理論依據，還可用于指導通道區內消防系統的設計，從而為進一步研究消防系統作用下火災的蔓延過程，通過仿真分析得到最優的通道區消防系統設計參數打下基礎。

［1］ 中國船舶工業集團公司．船舶設計實用手冊（輪機分冊）［M］ ．3版．北京：國防工業出版社，2013．

［2］ 趙楠，劉偉．艦船直升機飛行甲板干粉滅火系統的應用及設計［J］ ．船舶，2016（1）：64-67．

［3］ KEVINmc Grattan，SIMO Hostikka．Fire Dynamics simulator Technical Reference Guide［M］．Version5．Maryland，America：NISTspecial Publication，2007．

［4］ 張博思，陸守香．機械通風對船舶機艙火災煙氣控制的影響分析［J］ ．船海工程，2013（4）：28-34．

［5］ 張鳳香，吳曉偉．艙室消防預案數值模擬設計及實現［J］ ．艦船科學技術，2015（7）：93-98．

Fire simulation of ship transport passageway based on fire dynamic simulator

FU Yun-peng LI Ting
(Marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

To clarify the spread characteristics of the ship transport passageway, this paper carries out the numerical simulation of the ship transport passageway by using a fire simulation software Fire Dynamic simulator (FDS) and conducts the simulation experiment. By analyzing the smoke diffusion in the passage during fire according to the simulation results, the variation of the temperature and the visibility in the passage are studied to obtain the time when the temperature and visibility of the passage are beyond the tolerance of the personnel. The results can provide guidance and theoretical evidence for the people evacuation strategy and the fire protection plan after the fire occurred in the ship.

ship; transport passageway; fire dynamic simulator (FDS); fire simulation

U675.79

A

1001-9855（2017）05-0028-05

2017-02-22；

2017-04-13

付云鵬（1988-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶動力裝置設計與研究。李 艇（1980-），男，高級工程師。研究方向：船舶輪機工程。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.028