開口艙室內細水霧與油池火相互作用的數值模擬

2018-11-01 04:59:28劉伯運任廣魯

造船技術 2018年5期

趙博，劉伯運，任廣魯

(海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢 430000)

0 引言

隨著中國海軍的戰略轉型，艦艇部隊的訓練演習任務不斷增多，這使得艦船發生火災等災害的可能性大大增加。艦船艙室人員和裝備密集，一旦發生火災不能及時撲滅將造成巨大的經濟損失和人員傷亡。傳統的“哈倫”滅火劑雖然滅火效能較好，但是由于其對臭氧層的嚴重破壞，已經被很多國家明令禁止。細水霧滅火系統具有用水量小、對火災響應速度快、對保護對象水漬損害小等特點，在艦船艙室火災撲滅中具有良好的應用前景。

為提高細水霧的滅火效能，研究人員做了大量的相關研究。姚斌等[1]對細水霧抑制火災的過程和機理進行試驗研究和數值模擬，研究發現細水霧通過汽化吸熱冷卻燃料及氧化劑、體積膨脹隔絕氧氣、吸收熱輻射降低對燃料的熱回饋等效應，達到控制和熄滅火災的目的。楊建[2]在有遮擋物和無遮擋物條件下，采用火災動力模擬軟件(Fire Dynamics Simulation， FDS)對細水霧與油池火的相互作用過程進行模擬，發現操作壓力越大，滅火效果越好，當操作壓力超過臨界值時壓力對滅火效果的影響不大，滅火效果幾乎相同。張培紅等[3]在隧道模型中進行柴油油池火滅火試驗，分析通風風速、工作壓力、排煙模式等因素對細水霧滅火的影響。研究發現：細水霧+頂部排煙耦合系統的滅火效能最好，增加細水霧的壓力對滅火初期的火焰強化燃燒現象具有較好的抑制作用。為研究脈沖細水霧滅火效果和滅火機理，李曉康等[4]采用FDS軟件對連續和脈沖細水霧熄滅受限空間內油池火的過程進行數值模擬，研究發現：細水霧對不同尺寸的油池火均能達到較好的滅火效果，滅火效率較高，火焰熄滅均發生在噴頭暫停噴水期間，細水霧蒸發隔絕氧氣致使火焰窒息是其滅火的主要機理。

但是著火艙室并不是封閉空間，往往會存在門窗等開口，這會導致在細水霧滅火過程中仍有大量新鮮空氣涌入，這會對細水霧的滅火效能造成巨大的影響，相關研究并不多見，所以其滅火機理值得進一步研究。鑒于搭建試驗平臺將耗費大量人力和經費，且受測量條件的制約，本文利用FDS 進行數值模擬，研究開口艙室內細水霧與油池火的相互作用。

1 數值模擬模型建立

1.1 模擬軟件介紹

FDS是由美國國家標準局建筑火災研究實驗室開發的基于場模擬的火災模擬軟件,在火災安全等工程領域中應用十分廣泛。FDS是一個由計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)分析程序開發的專門用于研究火災煙氣傳播的模型,可以模擬三維空間內空氣的溫度、速度和煙氣的流動情況等[5]。

在實際火災中，煙氣濃度、溫度、速度等各種火災參數均隨時間和空間坐標的不同而發生改變，要想準確描述火災的發生發展過程，就必須掌握各個火災參數在時空坐標的變化規律，從而為控制火災的發展提供理論依據。這些參數主要由質量方程、動量方程、能量方程和一些輔助性方程體現。

質量守恒方程為

組分守恒方程為

動量守恒方程為

能量守恒方程為

理想氣體方程為

(5)

1.2 數值模擬模型設置

數值模擬在如圖1所示的房間中進行，艙室的長和寬均為4.0 m，高為2.4 m，地板、墻壁和頂棚材料均為鋼材。艙室的一側設有尺寸為2.0 m×0.9 m的艙門，其對面墻壁設有1.0 m×1.2 m的窗戶。火源為正庚烷燃料，油池位于艙室中間，高于地面0.3 m，油池大小為0.8 m×0.8 m，熱釋放速率為500 kW/m2，正庚烷的自燃點為204 ℃，所以若火焰溫度低于此溫度時人為火焰已經熄滅。油池上方1 cm、50 cm、100 cm、150 cm、200 cm處布置5個熱電偶，測量對應點處的火焰溫度。油池上方20 cm、70 cm、120 cm、170 cm處布置4個氧氣濃度記錄點，記錄對應點處的氧氣濃度。在頂棚下方0.05 m處布置細水霧噴頭。

圖1 數值模擬模型

在軟件中,只能使用矩形網格,因此只需考慮網格的大小而不需考慮網格的形狀。在理論上,網格越小,數值模擬的精度越高,但考慮到當前普通計算機的計算能力和計算代價,需要選擇合理的網格尺寸,獲得可以接受的計算精度和計算時間。此次數值模擬整體空間網格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m，為保證計算精度，對火源附近空間劃分較密的網格，尺寸為0.05 m×0.05 m×0.05 m。

2 實驗結果與分析

2.1 開口流入氣流對滅火效果的影響

數值模擬采用的細水霧系統參數如表1所示，其中K因子為流量系數，由細水霧噴頭的工藝特性確定。圖2為開口流入氣流速度為0 m/s時，細水霧開啟前后火場溫度切片。分析圖片可以看出：火災發生后火場溫度迅速升高，火焰基本豎直向上。熱煙氣受浮力作用，在頂棚下不斷積累，煙氣層逐漸下降，當油池火釋放的熱量與艙室損失的熱量相平衡時，煙氣層厚度基本維持不變。房間內氣體分為明顯的上下兩層，上層為熱煙氣，下層為冷空氣。細水霧開啟后，細水霧汽化吸收大量的熱量，使得火場溫度迅速下降，火焰高度下降。向下運動的水蒸氣具有較大的動能，使得熱煙氣和冷空氣穩定的分層被打破，同時沖擊火焰，增加了火焰區的湍流度，火焰周圍出現正庚烷蒸氣燃燒團。

表1 細水霧系統參數

圖2 開口流入氣流速度為0 m/s，細水霧開啟前后火場溫度切片

圖3為流入氣流速度為2 m/s時，細水霧開啟前后火場溫度切片。與圖2對比可以看出：開口流入氣流對火焰影響很大，在流入氣流的影響下，火焰向下風區偏移，溫度場隨之發生改變。環境風使油池上方溫度變低，而下風區溫度升高。在實際火災發生時，流入氣流有可能會將燃料吹向下風區，從而造成火災的蔓延。在流入氣流的影響下，熱煙氣的溫度也有所下降，熱煙氣與冷空氣的分層不穩定。細水霧開啟后火場溫度迅速降低，火焰區湍流度增加明顯，火焰周圍出現較多正庚烷蒸氣燃燒團。

圖3 開口流入氣流速度為2 m/s,細水霧開啟前后火場溫度切片

圖4為開口流入氣流速度分別為0 m/s和2 m/s時，油池正上方不同高度處正庚烷火焰溫度隨時間變化的曲線，分析圖4曲線發現：細水霧冷卻火焰的過程可分為3個階段，分別為火焰溫度迅速下降階段、火焰溫度相對穩定階段和火焰溫度緩慢下降階段。

火焰溫度快速下降階段是由于細水霧開啟后，細水霧與火焰溫差非常大，其汽化會吸收大量的熱量，同時生成的大量水蒸氣隔絕了氧氣，火焰周圍氧氣含量降低，致使火焰溫度迅速下降；隨著細水霧釋放量增加，細水霧汽化吸收的熱量基本與火焰釋放的熱量處于動態平衡狀態，并且艙室其他空間內的氧氣補充到油池周圍，故火焰溫度相對穩定，通過觀察可以發現這個階段時間非常短暫；隨著細水霧釋放量進一步增加，霧滴與火焰溫差逐漸縮小，同時艙室內的氧氣消耗殆盡，所以溫度下降緩慢至熄滅。

圖4 油池上方不同高度處溫度曲線

為進一步分析火焰熄滅的原理，繪制流入氣流速度分別為0 m/s和2 m/s時火焰上方不同高度處氧氣濃度隨時間的變化曲線，如圖5所示，圖中縱坐標為艙室內氧氣與所含氣體的體積比，即物質的量比。當流入氣流速度為0 m/s時，火焰上方的氧氣含量隨著燃燒的消耗其含量不斷降低至較低水平；當流入氣流速度為2 m/s時，由于有開口氣流流入，導致火焰上方氧氣含量始終維持在較高水平。對比分析可知：當開口流入氣流速度為0 m/s時，火焰熄滅是由冷卻吸熱和隔氧窒息共同作用的結果；當入口流入氣流速度為2 m/s時，由于氧氣含量始終維持在較高水平，故冷卻吸熱是致使火焰熄滅的主要原因。

圖5 油池上方不同高度處氧氣濃度曲線

2.2 細水霧粒徑對滅火效果的影響

數值模擬采用的噴頭的主要參數如表2所示，其中K因子仍為流量系數。圖6a)為入口氣流速度為0 m/s時不同粒徑細水霧作用下油池上方火焰溫度隨時間變化的曲線。分析曲線可以發現：數值模擬的4種粒徑的細水霧均可以有效滅火，其中粒徑為50 μm時滅火效果最好，大約需要40 s可以將火焰熄滅，比其他粒徑的細水霧節約時間25～30 s。這主要是因為較小粒徑的細水霧更容易汽化，吸收大量熱量，降低火焰溫度，同時汽化的水蒸氣可以有效隔絕氧氣，達到迅速熄滅火焰的目的。圖6b)為入口氣流速度為2 m/s時不同粒徑細水霧作用下油池上方火焰溫度隨時間變化的曲線。與圖6a)對比可以發現：當入口氣流速度為2 m/s時，細水霧開啟后會發生火焰溫度先降低后強化現象，這是由于在流入氣流的作用下，細水霧的湍流作用得到加強，強化了正庚烷蒸氣與空氣的結合，對火焰具有助燃作用。觀察發現：粒徑為300 μm時滅火效果最好，大約需要50 s，比其他粒徑的細水霧節約時間20～40 s。這主要是因為當霧滴直徑較小時，大量的霧滴會隨著氣流從開口飄散，導致艙室內液滴含量降低；其次有氣流的流入，致使火焰跳動明顯，火羽流的動能增大，較小的霧滴不能有效地穿透火羽流，對火焰區和油池表面進行冷卻，故而較小的霧滴滅火效果較差。