鄰艙火災對彈藥艙溫度特性影響的數值研究

張玲玲，王 凱，張 宏

(1. 中國船舶重工集團有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 海軍駐鄭州地區軍事代表室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

彈藥艙是艦船的重要艙室，屬于高危險性和易爆炸區域，其安全性關乎彈藥艙發生災情時載艦的戰斗力和生命力。艦船火災發生原因復雜，危害性大，深入了解這類火災的發生和發展規律，實現火災探測設備在火災發生初期探測報警，以便在事態嚴重之前采取有效應對措施[1]。本文采用數值模擬方法對鄰艙發生火災時通過公共壁面導熱對研究彈藥艙艙室內的溫度影響進行了模擬，得到了在鄰艙不同火源面積，不同火源熱釋放率的情況下，彈藥艙內典型時刻艙室壁面溫度以及艙室內各溫度測點的變化特性，從而得到被研究艙室受鄰艙火災影響時的溫度特性規律，所得結論對研究彈藥艙內的火災早期探測與消防應對等具有一定的指導意義。

1 艙室模型與火源設置

彈藥艙艙室為長方體結構，艙室內部尺寸為：長12 m，寬 8 m，高 3.5 m，艙室有一個門開口，環境溫度為25 ℃。艙室兩側壁面上部各有6個對稱分布的風口，各風口尺寸均為0.3 m×0.25 m，艙門所在的一側6個風口為進風口，對面為出風口，每個風口的風速為2.5 m/s，風溫20 ℃。艙室內地面上布置有6組彈藥架。艙室結構的三維模型如圖1所示。

鄰艙發生火災時，火源設定為油類火，火源位置為鄰艙靠近所研究艙室的公共壁面中心地面。建模后的鄰艙火災模型如圖2所示，鄰艙有一門開口，直接和外界相通。在彈藥艙內的通風流場穩定以后，考察鄰艙發生火災后1 500 s時間內對彈藥艙的影響。

在研究的艙室內距地面高3.2 m的平面上，布置有溫度測點（T1～T8）、煙霧測點（S1～S4）和壓力監測點（P1～P4），可對相應參數進行采集，采樣周期0.2 s，采樣頻率5 Hz。各監測點的布置示意圖如圖3所示。假設鄰艙與彈藥艙之間沒有直接相通的開口，鄰艙火災時產生的煙霧等燃燒產物不會進入被研究艙室內，鄰艙火災僅通過與被研究艙室的公共壁面導熱作用于被研究艙室，因此本文只研究被研究艙室內溫度測點的變化情況。

被研究艙室門關閉的條件下，將鄰艙火源設定為油類火，分別考慮火源面積為 0.5 m×0.5 m 和 2.0 m×2.0 m 兩種情況。假設當火源面積為 0.5 m×0.5 m 時，燃燒穩定階段的火源熱釋放率約為300kW，火源發展規律為超快速火，燃燒穩定階段火源最大熱釋放率的隨時間變化曲線如圖4所示。假設當火源面積為2.0 m×2.0 m時，火源發展規律為超快速火，燃燒穩定階段的火源熱釋放率約為4.8 MW，火源熱釋放率隨時間變化曲線如5所示。

2 計算方法

基于所得結果的準確性、全面性等方面考慮，本文研究采用基于大渦模擬技術的數值模擬方法為主。受限空間內的火災熱流場主要為熱浮力驅動的低馬赫流動過程，在此類受重力作用的多組分理想氣體的控制方程組的基礎上，為了加快計算求解速度，根據火災流場特性，需要對控制方程組進行一些必要的變形與簡化[2–4]，得到以下主要控制方程組：

連續性方程

組分方程

動量方程

速度散度約束方程

狀態方程

壓力方程

式中：為氣體密度；為組分i 的質量分數；為擴散系數；為單位體積內組分i的生成率或消耗率；為氣體分子量；為壓力擾動；V為空氣流速度矢量；為重力加速度；為組分l 的焓；為氣體溫度；為重力加速度；為輻射熱通量；為粘性應力張量；為通用氣體常數；為旋度張量。

數值計算時，采用大渦模擬技術對控制方程組進行處理，得到大尺度渦旋運動的控制方程組和小尺度渦旋給出的亞格子尺度模型[5]；燃燒采用單步瞬時反應混合分數模型；熱輻射采用有限體積法進行處理[6–10]；艙室壁面導熱使用的是一維導熱模型[4]計算。對于鄰艙火災場景，流場屬于典型的亞音速弱可壓流動，計算過程中，為了對火災熱流場進行準確模擬，使用美國標準技術研究所開發的場模擬軟件（FDS）來進行計算機物理建模與仿真。

3 結果與分析

3.1 最大火源熱釋放率300 kW

當火源面積為0.5 m×0.5 m時，若按假設火源最大熱釋放速率為300 kW作為模擬火源的輸入條件，則經過模擬輸出的火源熱釋放速率結果如圖6所示。由圖中可以看出，火源按設定的規律進行燃燒，并且在約60 s時刻達到最大值300 kW，之后的熱釋放速率值始終保持在300 kW附近波動，說明在鄰艙內的火源可以按照設定的燃燒。

鄰艙發生火災時，被研究彈藥艙內各溫度測點輸出隨時間的變化如圖7所示。由圖中可以看出，盡管鄰艙發生火災，但是各溫度測點在所模擬的500 s時間內，前350 s幾乎沒有任何變化，除測點T1和T3外，其余測點在約350 s以后才開始小幅度上升，隨著時間的增加，在1 500 s時，所有溫度測點處的溫度均達到了 28 ℃。

鄰艙發生火災時，各典型時刻的艙室壁面溫度如圖8所示。由圖中可以看出，隨著時間的增加，除火源所在房間的壁面外，兩艙室相鄰的共用壁面溫度發生變化，說明火源產生的熱量已經通過共用艙壁傳入所研究的艙室中，而且共用艙壁面上火源所在位置的背面區域溫度較其他區域高。隨著時間增加，被研究艙室靠近與鄰艙公共壁面中心的地面溫度也開始逐漸由所升高，在1 400 s時壁面最高溫度在70 ℃以上。

鄰艙發生火災時，各典型時刻研究艙室中各火災探測器所在高度平面溫度云圖如圖9所示。由圖中可以看出，平面上高溫源位于靠近公共壁面中部，隨著時間的增加，相對高溫的區域面積由高溫源逐漸向周圍擴大，到1 400 s時刻，平面上溫度稍有升高，但是在靠近送風口一側的通風上游區域，溫度變化相對不明顯，說明鄰艙火災時依靠公共壁面導熱將熱量傳導至研究艙室時，由于熱源在通風下游，所以熱量在被研究艙室內擴散較慢，尤其是對靠近送風口的通風上游區域，使其升溫較為困難。

3.2 最大火源熱釋放率4.8 MW

由于鄰艙火源最大火源熱釋放率300 kW時，所研究艙室內溫度變化幅度較小，因此考慮增大火源，來研究鄰艙發生較大規模火災時對研究艙室內的溫度影響。假設鄰艙火源面積為2.0 m×2.0 m，理論熱釋放速率為4.8 MW，經過模擬得到的熱釋放速率輸出結果如圖10所示。由圖中可以看出，火源熱釋放速率在火災初期階段開始迅速上升，在約70 s熱釋放率達到了4.8 MW，隨后在經過較大幅度的波動后，在約90s時刻開始迅速降低，100 s以后熱釋放率保持在1.5～2.0 MW之間波動，300 s后熱釋放率曲線呈現逐漸緩慢下降的趨勢，到1 500 s時熱釋放率約1 MW。這是由于火源熱釋放率過大而艙室空間較小不足以提供燃燒需要的空氣，所以不能按設定的釋放率燃燒，只能在可提供的空氣支持燃燒的范圍內保持相對低的熱釋放率。

鄰艙發生火災時，被研究彈藥艙內各溫度測點輸出隨時間的變化如圖11所示。由圖中可以看出，各測點在約 100 s后開始上升，100～200 s期間測點 T6稍高于其他測點，約在900 s后各測點溫度升高趨勢放緩，T2的最高溫度可以升至約36 ℃，遠離熱源壁面并且靠近通風上游一側的測點T1，T3，T5和T7處的溫度開始在32 ℃～35 ℃之間保持波動。

各典型時刻的艙室壁面溫度如圖12所示。由圖中可以看出，隨著時間的增加，兩艙室相鄰的共用壁面溫度發生變化，說明火源產生的熱量已經通過共用艙壁傳入所研究的艙室中，而且共用艙壁面上火源所在位置區域溫度較高，可以超過150 ℃。在彈藥艙鄰艙的火源所在艙室內，火災發生100 s以后，在艙室門口附近的艙室壁面溫度較高，由于艙室內的空氣不足以支持如此大規模的火源燃燒，因此火源處有大量未燃燒的燃料氣化產物，在接觸到艙室門口的新鮮空氣時，符合燃燒條件，因此在此區域內又發生燃燒，導致艙室門口附近壁面的溫度升高。

各典型時刻研究艙室中各火災探測器所在高度平面溫度云圖如圖13所示。由圖中可以看出，由通風下游回風口所在的艙室共用壁面溫度高溫將熱量傳到艙室內，因此艙室共用壁面附近的區域溫度較其他區域的溫度高，在火災后期，高溫壁面的影響區域可以影響到艙室中部區域，但整個平面上整體的溫度始終保持在未超過50 ℃。

4 結 語

利用數值方法對鄰艙發生火災時通過公共壁面導熱對研究艙室內的溫度影響進行模擬，通過對彈藥艙內火災溫度參數結果進行分析得到：

1）鄰艙火災的火源面積為0.5 m×0.5 m最大熱釋放率為300 kW時，火源可以按照設定規律燃燒；公共壁面最高溫度在70 ℃以上，研究艙室內各測點溫度在1 500 s時升高至28 ℃以上，熱量在被研究艙室測點所在高度平面擴散較慢，尤其是對靠近送風口的通風上游區域，使其升溫較為困難。

2）鄰艙火災的火源面積為2 m×2 m最大熱釋放率為4.8 MW時，空間內的氧氣不足以支持火源按設定的釋放率燃燒，只能在可提供的空氣支持燃燒的范圍內保持在1～2 MW熱釋放率，并且在火源所在艙室門開口附近發生了回燃；共用艙壁面上火源所在位置區域溫度較高，可以超過150 ℃；被研究彈藥艙內各測點在約 100 s后開始上升，100～200 s期間測點 T6稍高于其他測點，約在900 s后各測點溫度升高趨勢放緩，T2的最高溫度可以升至約36 ℃，遠離熱源壁面并且靠近通風上游一側的測點T1，T3，T5和T7處的溫度開始在32 ℃～35 ℃之間保持波動。

3）通過3次對比實驗驗證，火盆大小為0.5 m×0.5 m，燃料用量 2 500 ml，燃燒時間為 900 s，溫度測點的最高溫升分別為1.6 ℃，1.2 ℃，1.0 ℃，均沒有引起傳感器報警，溫度上升趨勢與仿真計算結果基本相吻合。伴隨燃料用量及燃燒時間的增加，被研究艙室溫度測點的溫升也相應增加。

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