水噴淋系統對郵輪火災特性影響的的數值模擬

程楓

摘 要：基于近些年郵輪經濟快速發展及其火災特殊性的背景，本文利用FDS 對某郵輪主豎區火災進行全尺寸模擬，設置有無水噴淋系統兩種火災場景。通過對比分析模擬結果，得出兩種工況下監測點溫度、煙氣層高度和能見度等火災特性參數的變化規律。研究表明，水噴淋系統雖然會增加煙氣生成量，但對整體疏散影響不大，而且能有效地抑制煙氣溫度的升高，并能把煙氣控制在頂棚附近，控制火災的發展。

關鍵詞：水噴淋；郵輪火災；FDS；數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.178

1 引言

當前郵輪經濟己經成為世界旅游經濟增長最快的領域，郵輪旅游也成為旅游業的必然趨勢，隨之引起的郵輪火災也日漸增多，然而由于其人員眾多、空間狹窄、消防設施受限等特殊性，一旦發生火災，滅火及救援行動很難展開，所以噴淋系統就顯得至關重要。然而水噴淋的作用不僅僅起到冷卻的效果，更重要的是對火源的燃燒強度以及煙氣、有毒有害氣體的生成都將產生重要的影響，存在破壞火災煙氣層穩定以至危害疏散人員的弊端。因此，通過對某大型郵輪進行FDS模擬，從結果中分析能見度和溫度的發展規律以及兩種情況下的煙氣層高度，來驗證設置噴淋系統的優勢和劣勢。

2 郵輪模型建立

2.1 模型結構及網格劃分

本文根據某大型郵輪結構圖數據運用PyroSim建模，由于受到計算量與計算速度的限制，依據《SOLAS公約》中“主豎區”相關定義將模型簡化至整艘郵輪的三分之一，同時保證了計算速度與模擬真實性。根據《郵輪公約（2017）》相關規定設定墻壁、地面、天花板均不可燃。所有門窗均敞開，邊界設置為開口，模擬開放的外部環境條件。

郵輪3-6層網格模型長×寬×高=40m×58.0m×16m，7層網格模型長×寬×高=40m×71.0m×3m，8-11層網格模型長×寬×高=40m×80.0m×12m，12 -14層網格模型長×寬×高=40m×58.0m×9m，共劃分了841440個網格，網格尺寸為0.5m×0.5m×0.5m。在火源附近12m×9m×3m的范圍內進行網格加密，尺寸為0.1m×0.1m×0.1m.根據郵輪實際尺寸建立FDS外部物理模型，場景如圖2.1所示：

2.2 火災場景設計

根據統計資料分析船舶火災發生的頻率顯示：對于民用船只來說，起居處所頻率最高，機艙第二，貨艙第三。根據這一特點，本文將火源設置在郵輪第6層某艙室內。火源尺寸大小為0.5m×0.5m。模擬時間為420S。火源的最大熱釋放速率設為2MW，計算可得在燃燒大約413秒時達到峰值，火源熱釋放速率HRR與時間關系函數：

根據可燃物的種類和性質的不同，α有不同取值，具體取值依據見表2.1。

由于郵輪艙室內的可燃物主要為床上用品及木制家具，因此本文取α值為0.01172。

2.3 監測裝置設計

由于溫度、能見度、煙氣層均會對人員疏散造成影響，所以本文郵輪模型中主要設置了溫度探測器、煙氣層高度探測器、能見度探測器。溫度探測器為垂直切片，由于人眼平均高度為1.6m，故設置了距起火層地面1.6m高的水平能見度切片；煙氣層高度探測器設置在起火房間門口。

2.4 水噴淋系統設計

根據《國際消防安全系統規則》規定，船用噴淋系統為濕式水噴淋系統，噴頭采用快速響應型，本文模型中選用ZSTYS-20型噴頭，流量特性系數K=242，響應時間指數（RTI）=28（m.s），動作溫度：68℃，走廊中噴淋頭設置間距為2.43m，位于走廊中心線，由于郵輪艙室面積小于噴淋頭最大保護面積，故每個房間只設置一個噴淋頭，位于天花板中心處。

3 模擬結果分析

3.1 走廊溫度分析

取距地面1.6m處為監測面，如圖3.1（a）——圖3.1（d）所示，可觀察到溫度隨時間的變化規律：（1）一般認為，人體所能承受溫度為60℃，溫度超過60℃即認為是危險狀態。而在無水噴淋的工況下，202s時火源所在房間1.6m高度處已達到60℃，420s時達到120℃。（2）在有噴淋工況下，202s時除火源上方外，1.6m高度處溫度均低于40℃，420s時才達到60℃。（3）從以上數據分析得知，水噴淋系統啟用后，液滴吸收熱量能有效地降低溫度，減少高溫煙氣對人體的傷害。

3.2 煙氣沉降分析

根據以往火災事故統計，火災中大部分人員傷亡是由于吸入過量有害煙氣，火災煙氣對人員的危害主要體現在缺氧、中毒及高溫煙氣窒息。在火源房間門口處設置了煙氣層高度探測器。圖3.2（a）與圖3.2（b）反映了兩種工況下的煙氣層高度變化規律。

通過對兩種工況下煙氣層高度曲線圖的對比可知：（1）由于水噴淋系統啟動瞬間水流沖開煙氣層，故數據會顯示煙氣層高度突然回升（2）在200s前，兩種工況下煙氣層高度變化并無明顯差別，之后水噴淋系統啟動，煙氣層高度出現較大波動（3）由于噴淋系統啟動后會使上部煙氣與下部清潔空氣混合造成煙氣層下降，故其在200s到320s期間降低至1.7m左右，之后逐步回升；而無噴淋系統時，煙氣層高度在波動中逐漸下降，420s時才降至1.7m。

3.3 能見度分析

火災煙氣的產生，會導致能見度降低、人員呼吸困難，心理狀態緊張，使人員不能以正常行動能力進行逃生和疏散。因此，取人眼特征高度處（通常取值范圍為1.2～2m，本文取1.6m）為監測水平面，圖3.3（a）——3.3（d）反映了火災發展過程中能見度在水平面上的變化：

通過觀察兩種工況下1.6m處能見度水平方向的變化示意圖，可知（1）為了保證安全疏散的效果，火場能見度最低不小于5m。對比圖3.3（a） 和圖3.3（b） 可知，無噴淋工況下，在t = 140s 時，1. 6m 高度處火場的能見度降低到5m，而水噴淋作用后，能見度降到5m 的時間提前了約13s。（2）對比圖3.3（c） 和圖3.3（d） 可知，無噴淋工況下，約374s時走廊1.6m高度處能見度降至5m，而水噴淋作用后能見度降至5m約推遲了32s。（3）有噴淋工況下，低能見度區僅在火源附近。綜上所述，水噴淋作用后，能夠把煙氣控制在火源上方頂棚附近，阻止非火源區域能見度的急劇下降，為人員逃生創造便利。

4 結論

本文運用FDS模擬有無水噴淋系統兩種工況下郵輪火災的煙氣蔓延和溫度增長情況。 模擬結果表明水噴淋系統可起到冷卻作用，能有效降低頂棚附近的溫度和煙氣層溫度，與此同時，水噴淋系統啟動會使上部煙氣與下部清潔空氣混合降低能見度，且燃料燃燒不充分，會加劇煙氣和CO的生成量。但水噴淋系統只會對火源附近區域的煙氣濃度造成明顯影響，而在該區域內高溫危害比煙氣危害要嚴重得多。所以在配合機械通風的情況下，水噴淋系統并不會影響疏散，綜上所述，其利大于弊。

參考文獻：

[1]張琳，韓占方，謝啟源.不同流量水噴淋作用下典型軟墊家具火災特性全尺寸實驗研究[J].火災科學，2008，17（02）：118-124.

[2]Kevin Mc Grattan，Glenn Forney.fire dynamics simulator （version 5）users guide[M].Washington：U.S.Governing printing office，2008.

[3]中華人民共和國公安部.自動噴水滅火系統設計規范[S].GB50084-2001（2005年版）.

[4]游宇航，李元洲，霍然等.水噴淋控制下小室火災的數值模擬研究[J].消防科學與技術，2006，25（05）：613-617.

[5]縱恒，吳超鵬，王彬彬等.水噴淋對倉庫火蔓延及煙氣輸運影響的數值模擬[J].中國安全生產科學技術，2008，4（01）：10-14.

[6]Kung H C.Development of residential sprinklers and issues highlighted by recent research[A].In： Proceedings of 15th Meeting of the UJNR Panel of Fire Research and Safety[C].San Antonio，TX，2000：289-298.