載人航天器密封艙內雙火源火災煙氣蔓延數值分析

尹凱路，霍 巖

（哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，哈爾濱 150001）

0 引言

載人航天器在軌飛行時，其密封艙內微重力水平約為10-4g～10-6g，氣壓約1個標準大氣壓，氣體流速0.2～0.8 m/s，擁有高氧氣體積分數（最高可達30%～40%）環境[1]，且存在大量的電氣設備和非金屬材料，電路過載、設備過熱等是航天器火災的主要隱患[2]。同時，密封艙內空間狹小，可利用的滅火資源非常有限，造成滅火和營救等工作十分困難，因此密封艙的火災安全值得特別關注。

對于微重力條件下的燃燒，姜羲等人[3]研究了微重力條件下單滴燃燒和固體可燃物表面火焰的傳播過程，指出其主要物理機制是汽化表面的“表面燃料噴射”效應。馬里蘭大學在空間站微重力環境下開展了“火焰設計”試驗，試圖進一步認識燃燒的主要產物——煙氣，并研究如何在燃燒過程中有效控制燃燒產物[4]。趙建賀等[5]利用FDS軟件研究了微重力環境下細水霧滅火的機理。

在微重力環境下，自然對流減小，火災煙霧早期特性和運動規律與常重力下有較大差別[6]，按照常重力下的方式安裝布置火災探測器，必然導致高誤報率和漏報率[7]。因此必須對微重力下密閉空間內火災的發生、發展以及溫度和煙霧的分布規律有所了解，這就需要對微重力環境下火場相關參數進行長時間的監測。但是目前常用的落塔、落井及拋物線飛行的飛機最多只能模擬幾十秒的微重力環境[8]，難以進行火災流場試驗。因此利用數值模擬方法可以高效、經濟地完成微重力環境下火場各參數變化規律的探究。胡海兵等[9]和趙建賀等[10]曾分別對國際空間站艙室內微重力下單一火源火災進行了數值模擬。然而實際由電纜引起的火災中可能因為火勢過大，使另一位置處的電纜也發生燃燒[11]，或者由于火源燃燒產生的熔融滴落物引起新的著火點，且著火點位置的不同也會影響火災的蔓延方式。因此，有必要研究由雙火源引發的火災特性。

基于火災燃燒試驗的破壞性和火災數值模擬軟件FDS在微重力領域研究的有效應用[12-15]，本文采用FDS軟件對雙火源引起的火災進行數值模擬，得到不同場景下的煙氣濃度的分布及蔓延規律，可為微重力環境下火災特性研究和探測器的安裝布置提供參考。

1 微重力環境下火災流場模擬

1.1 FDS 軟件介紹

FDS（Fire Dynamics Simulator）是美國國家標準研究所建筑火災研究實驗室開發的模擬火災中流體運動的計算流體動力學軟件[16]。NASA曾采用FDS軟件對微重力條件下的燃燒進行了多工況研究，驗證了該軟件應用的可靠性與有效性[17]。

1.2 邊界條件

選取國際空間站艙室[9]作為研究對象，重力條件設置為10-5g。根據人活動區域通風回路設計，建立艙室簡化分析模型，如圖1所示。艙室尺寸為4 m×1.6 m×1.9 m，計算網格為 0.02 m×0.02 m×0.02 m 的立方體，共計 1 520 000 個。

圖1 空間站密封艙室簡化模型Fig.1 Simplified model of the sealed cabin in a space station

送風口為6個45°斜向艙內的正方形，尺寸為0.4 m×0.4 m，在艙室頂面對稱布置。送風風速為0.3 m/s，總風量為 0.228 m3/s。回風口對稱分布在艙室底面，尺寸為 0.4 m×0.4 m。

航天器儀器過載易引起電纜及保溫材料失火[18]，根據火災荷載分析[19]，設定火源尺寸為 0.2 m×0.2 m，熱釋放率為 80 kW，計算時間為 130 s。

1.3 場景設計

本文選取3個典型火源位置進行模擬，將中心相距為1 m的2個火源分別置于艙室的底面、側面和頂面，在強制通風條件下進行數值模擬，場景設計如表1所示。

表1 火源場景設計Table 1 Scene design of the fire sources

2 結果與分析

2.1 煙氣濃度分布

空間站艙室內探測器需要保證在火災初起的1～2 min 內報警[9]，因此選取模擬火災發生 90 s時的煙氣情況作為分析對象。為觀察火場相對穩定時的煙氣濃度分布，圖2對比了在強制通風條件下，3 個場景分別選取截面y=0 m、x=0.1 m、y=0 m 的流場內煙氣濃度分布。

圖2 不同場景的煙氣濃度分布Fig.2 Smoke concentration distribution under different conditions

由圖2(a)中可以看出，雙火源位于底面時，煙氣主要分布在距底面0.2 m高度以內，2個火源只是在各自區域內獨立燃燒未相互影響。這是因為在x=-1 m、x=0 m 和x=1 m 這 3 個位置對稱分布著回風口，在幾乎沒有自然對流的微重力環境下，雙火源附近的煙氣隨著氣流進入回風口。由圖2(b)可以看出，側壁上的雙火源受到通風氣流的影響，煙氣既向著斜下方遠離送風口，又在流場回旋氣流的作用下向著送風口運動，加速了煙氣在豎直方向的蔓延。圖3為場景B下90 s時x=0.1 m截面的艙室內煙氣蔓延速度矢量圖。與圖2(a)、(c)的情況相比，側壁著火的煙氣蔓延更為迅速，應予以重點防范。由圖2(c)可以看出，雙火源位于頂面時，中間的出風口的氣流幾乎阻斷了2個火源之間的煙氣流動，而且將煙氣吹向艙室內部，加速了艙室內煙氣的蔓延。

圖3 艙室氣流速度矢量圖Fig.3 Vector chart of airflow velocity in the cabin

微重力環境下，由于缺乏自然對流，艙室內氣流組織對煙氣濃度分布的影響十分巨大，探測器不能與常重力時一樣布置在艙頂[20]。由圖2可知，本文設計的3種場景下最大煙氣濃度均主要出現在雙火源附近，且煙氣會隨著通風氣流向回風口運動，因此在回風口處的濃度也相對較大。

圖4 給出了 90 s時，3 種不同場景下，A1、a1、B1、b1這4個回風口位置處（具體位置見圖1）的煙氣濃度在艙室內不同高度的變化情況。

圖4 煙氣濃度折線圖Fig.4 Line chart of smoke concentration

由圖4(a)、(b)可知，雖然同一時刻不同位置上煙氣濃度數值差異較大，但變化趨勢相似，即在高度1 m以上，煙氣濃度變化平穩，無較大起伏，且雙火源位于頂面、側面、底面時，煙氣濃度依次下降。高度為0.9 m、雙火源位于頂面時，煙氣濃度最大，A1和a1位置上的最大值分別為0.63 g/m3和0.28 g/m3。這是因為雙火源在底面時距離回風口近，部分煙氣隨著氣流排出；雙火源位于側面時，由于回旋氣流的作用煙氣向上運動；而雙火源位于頂部時，煙氣有較長時間蔓延。因此建議在大熱耗儀器附近及煙氣濃度相對較大的回風口A1、a1位置附近，高度約0.5～0.7 m處艙壁內側安放火災探測器。

而圖4(c)、(d)中的情況正好相反。在高度1 m以上，雙火源在底面時的煙氣濃度最大，在側面時次之，在頂面時最低。且A1、a1位置的煙氣濃度折線圖變化趨勢為“凸”型，B1、b1位置的為“凹”型。這可能是受艙室內氣流組織（參見圖5）的影響。由圖5可以看出，在x=0.5～1.5 m，y=0.5～1.5 m 范圍內有1個旋渦，雙火源位于底面和側面時，部分煙氣沒有進入回風口，而隨著這個旋渦在該區域內聚積；而雙火源位于頂面時，大部分煙氣隨著氣流在x=-0.5～0.5 m的范圍內運動。因此，A1、a1與B1、b1位置測點處的煙氣濃度變化規律差異較大，建議在煙氣濃度較大的回風口B1、b1位置附近，高度約1.3～1.5 m處艙壁內側安放火災探測器。

圖5 艙室氣流組織Fig.5 Organization of the airflow in the cabin

2.2 煙氣的發展蔓延

為探究雙火源在不同位置時煙氣在報警時間內的發展蔓延情況，繪制火災發生60～120 s時間段艙室內的平均煙氣濃度隨時間變化折線圖，如圖6所示。

圖6 平均煙氣濃度折線圖Fig.6 Broken line graph of average flue gas concentration

由圖6可知，3種場景下平均煙氣濃度均隨時間呈總體上升趨勢，雙火源在側面和頂面時的煙氣濃度變化相似，但雙火源在底面時煙氣濃度起伏較大。這是因為雙火源距離回風口較近時，部分煙氣隨氣流進入回風口，且氣流可能隨時間周期性變化，故煙氣濃度起伏變化；而雙火源距離回風口較遠時，艙室空間剛好成為緩沖區域，減少了這種起伏。

根據圖6數據，當雙火源位于側面和頂面時，可用多項式函數進行數據擬合：

1）當雙火源位于側面時，

2）當雙火源位于頂面時，

式 (1)、(2)中：y為平均煙氣濃度，kg/m3；t為時間，s。式(1)和(2)的R2均大于0.95，說明擬合效果較好。所以從艙室起火到報警器報警的時間內，計算得到的結果能較好的反應出模擬結果。

3 結論與建議

本文通過數值模擬探究了載人航天器密封艙室在45°通風條件下不同雙火源位置的火災煙氣濃度分布及蔓延規律，主要結論如下：

1）雙火源位置對艙室內煙氣濃度分布影響明顯，雙火源在側面時，由于回旋氣流的影響加速了煙氣在豎直方向的蔓延，應予以重點防范。

2）建議在大熱耗儀器及回風口A1、a1位置附近，高度約0.5～0.7 m處，以及回風口B1、b1位置附近，高度約1.3～1.5 m處分別安放火災探測器。

3）擬合得到艙室內通風條件下雙火源位于側面與頂面時平均煙氣濃度隨時間變化的計算公式，計算結果可以較準確地反映出實際的煙氣濃度變化情況。

本文主要對不同位置的雙火源進行模擬，研究其煙氣濃度的分布。對于微重力條件下，雙火源燃燒的研究還有很多工作要做：

1）對于微重力環境下雙火源燃燒的相互作用還需要深入研究。火源間的輻射傳熱、空氣競爭都會對火焰燃燒速率、火焰形狀及煙氣濃度分布造成影響。

2）研究局部受限情況下的雙火源燃燒特性。局部受限可能會導致火源沿著某一方向蔓延，火焰形狀及輻射傳熱受到影響，進而影響艙室內的煙氣濃度。