排煙機(jī)功率對船舶艙室煙氣特性影響的仿真實(shí)驗(yàn)研究

蔣曉剛　苑志江　鄭智林　金良安

摘要：對于船舶住艙等小型艙室而言，人員相對密集而火災(zāi)事故造成的煙氣又難以通過有效手段排放。針對船舶住艙火災(zāi)煙氣控制所采用的典型排煙方法，運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件PyroSim進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并精心采用仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，研究無排煙和排煙機(jī)工作時(shí)的船舶艙室煙霧蔓延規(guī)律，在此基礎(chǔ)上依據(jù)燃燒所產(chǎn)生的熱量設(shè)置6種排煙機(jī)功率依次增大的排煙工況，研究不同工況排煙機(jī)功率和補(bǔ)風(fēng)條件下的控?zé)熜Ч贸鲚^為接近實(shí)際的煙氣蔓延流動(dòng)時(shí)煙氣溫度和煙氣濃度等特性參數(shù)的變化規(guī)律，以及優(yōu)化選擇最佳的補(bǔ)風(fēng)方式和排煙功率的總體思路。研究結(jié)果對于船舶艙室煙氣高效防控具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：艙室火災(zāi);仿真實(shí)驗(yàn);煙氣控制;排煙機(jī)功率;補(bǔ)風(fēng)量

中圖分類號(hào)：X913.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674–5124（2019）02–0042–06

0 引言

鑒于船舶排風(fēng)系統(tǒng)和管路布置的復(fù)雜性，一般船舶住艙內(nèi)僅分布有通風(fēng)系統(tǒng)，并未設(shè)置艙室排煙系統(tǒng)，一旦發(fā)生火災(zāi)，住艙往往只能依靠移動(dòng)式排煙設(shè)備進(jìn)行低位排煙。由于火災(zāi)煙氣的流動(dòng)特性，低位排煙機(jī)的效率受到較大影響[1]，然而住艙等艙室發(fā)生火災(zāi)后對人員安全的威脅往往最大，因此研究移動(dòng)排煙設(shè)備的排煙效率顯得十分重要。

目前，關(guān)于火災(zāi)煙氣控制方法的研究主要分為民用和軍用兩個(gè)方面，在民用方面多集中于高層建筑物、地鐵通道、隧道等控?zé)煼椒ǖ难芯?，例如，李雪飛[2]對層高為29m的中庭火災(zāi)進(jìn)行了機(jī)械排煙效果研究，通過對補(bǔ)風(fēng)口面積和風(fēng)機(jī)排量等參數(shù)的改變得出了自然補(bǔ)風(fēng)和機(jī)械補(bǔ)風(fēng)條件下排煙效果較好的參數(shù)設(shè)置;姜學(xué)鵬等[3]對公路隧道排煙系統(tǒng)的排煙效率進(jìn)行了研究，通過縮比試驗(yàn)研究了多個(gè)火源功率和不同機(jī)械排煙條件下的臨界排煙速率試驗(yàn)值，表明了臨界排煙速率試驗(yàn)值與火源功率線性相關(guān);王歡等[4]運(yùn)用數(shù)值模擬方法對擋煙垂壁在長通道煙流控制中的作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明由于垂壁高度的不同，擋煙垂壁對其上下游煙氣溫度分布的影響分別表現(xiàn)為減緩衰減與加速衰減2種效果。在軍事方面多集中于機(jī)庫、機(jī)艙等大型艙室的控?zé)煼椒ㄑ芯?，例如，劉伯運(yùn)等[5]對大型艦船機(jī)庫機(jī)械排煙系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，采用正交試驗(yàn)和極差方差分析方法在一定程度上得到了機(jī)械排煙系統(tǒng)的最佳配置方案;劉義[6]對船舶機(jī)艙火災(zāi)煙氣填充及控制技術(shù)進(jìn)行了研究，通過全尺寸實(shí)驗(yàn)研究了送風(fēng)口位置、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間和排煙量等因素對煙氣控制的影響;金鍵等[7]對大型艦船直升機(jī)機(jī)庫排煙系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行了研究，提出了利用機(jī)庫的自然排煙和機(jī)械排煙相結(jié)合的方法對機(jī)庫火災(zāi)實(shí)施除煙，并采用FDS軟件進(jìn)行了模擬。

煙氣的肆意蔓延對于人員的安全逃生極其不利，火災(zāi)事故造成的人員傷亡大多數(shù)是由于煙氣無法有效控制形成高溫窒息環(huán)境引起的[8-9]，尤其是對于船舶住艙等小型艙室而言，人員相對密集而煙氣又難以通過有效手段排放，然而目前針對船舶住艙等小型艙室的煙氣控制方法相對較少，因此本文運(yùn)用PyroSim模擬計(jì)算，分析了煙氣蔓延流動(dòng)時(shí)煙氣溫度和煙氣濃度等特性參數(shù)的變化規(guī)律，優(yōu)化選擇最佳的補(bǔ)風(fēng)方式和排煙功率，研究結(jié)果對于船舶艙室煙氣高效防控具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 模型建立

1.1 艙室?guī)缀文Ｐ?/p>

以某船舶部分艙室及通道為原型，依據(jù)現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)原則，艙室及通道尺寸為15.5m×7.0m×2.2m，內(nèi)設(shè)4個(gè)艦員住艙、2個(gè)衛(wèi)生間、1個(gè)廚房和1組通道，通道同一側(cè)的2個(gè)艦員住艙之間公用1個(gè)衛(wèi)生間，每個(gè)艙室均設(shè)置有不同數(shù)量的舷窗和門，忽略船舶艙室外部尺寸和細(xì)小部件的影響，建立簡化后的船舶艙室?guī)缀文Ｐ腿鐖D1所示。

1.2 參數(shù)設(shè)置

1）火源設(shè)置

火源位于其中一個(gè)艦員住艙，面積為0.5m×0.4m，結(jié)合實(shí)際情況，將火源設(shè)計(jì)在棉被之上，棉被最終被完全燒毀。實(shí)驗(yàn)研究表明[10]，在熱輻射強(qiáng)度大于6kW/m2時(shí)，在使用點(diǎn)火器的情況下，棉花可發(fā)生明火燃燒，燃燒后最大熱釋放速率可達(dá)65kW/m2，按照火勢發(fā)展最為嚴(yán)重的情況考慮，將棉花熱釋放速率設(shè)定為65kW/m2，環(huán)境溫度設(shè)置為20°C，艙壁材質(zhì)設(shè)置為STEEL。另外，查閱相關(guān)資料[11-12]，棉花的主要組分為纖維素94%，蛋白質(zhì)1%～1.5%，果膠酸1%，礦物物質(zhì)1%，酸、糖2%，蠟0.5%，以此為依據(jù)將PyroSim中燃燒反應(yīng)的C、H、O、N4種元素的含量比例設(shè)置6.3∶7.1∶2.1∶1.0。

2）監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

起火艙室的溫度和煙氣變化規(guī)律是需要考察的重要對象，內(nèi)部通道和兩端出口是人員逃生的重要路徑，因此在設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)時(shí)需要重點(diǎn)考慮上述位置。考慮到船舶艙室空間較小，人員密度大，人體耐受的臨界值相應(yīng)降低，將地板以上1.5m處平面上煙氣溫度超過60°C、煙氣能見度小于5m作為危險(xiǎn)狀態(tài)的判定標(biāo)準(zhǔn)。具體監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置為Z=1.5m平面上，通道1中心線X=6.0m，通道2中心線Y=3.5m處，火源所在房間中心區(qū)域（X=8.5m，Y=2.5m）處，起火艙室出口位置X=9m處，其他各艙室的中心區(qū)域（X=2.5m，Y=3.5m），（X=11.0m，Y=1.5m），（X=13.5m，Y=1.5m），（X=8.5m，Y=5.5m），（X=11.0m，Y=5.5m），（X=13.5m，Y=5.5m），監(jiān)測煙氣參數(shù)的變化規(guī)律。

3）網(wǎng)格設(shè)置

關(guān)于模型的網(wǎng)格尺寸，采用PyroSim推薦的無量綱數(shù)D?/δx判據(jù)求得，根據(jù)Kevin等做的網(wǎng)格獨(dú)立性測試實(shí)驗(yàn)，得出火源特征直徑D?與計(jì)算網(wǎng)格尺寸δx的比例在4～16之間時(shí)，可以得出一個(gè)合理的求解結(jié)果[13]，其中火源特征直徑表達(dá)式為：

式中：Q——火源熱釋放速率，kW/m2;

ρ0——空氣密度，1.205kg/m3;

Cp——空氣的定壓比熱，1.0006kJ/（kg?K）;

T0——環(huán)境初始溫度，20°C;

g——重力加速度，9.8m/s2。

火焰穩(wěn)定功率為65kW，計(jì)算可得D?為0.86。綜合考慮計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及計(jì)算機(jī)的性能，本文采用δx=0.1m網(wǎng)格尺寸進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格分布為150×80×25，網(wǎng)格總數(shù)為300000。

4）初始環(huán)境設(shè)置

初始溫度設(shè)定為20°C，壓強(qiáng)為1.0132×105Pa，煙氣初始濃度為0，且艙室各處初始溫度和壓強(qiáng)相同，將計(jì)算時(shí)間設(shè)定為120s。

2 仿真實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

為了考察排煙機(jī)對于艙室煙氣蔓延規(guī)律的影響，首先對未設(shè)置排煙機(jī)時(shí)的艙室煙氣蔓延規(guī)律進(jìn)行仿真研究，結(jié)合人員逃生救生，主要從煙氣溫度和煙氣能見度兩方面進(jìn)行研究。

2.1 無排煙時(shí)的煙氣特性

1）煙氣溫度特性

由于艦艇的外殼均是金屬材質(zhì)，起火艙室溫度的升高對臨艙等附近艙室影響較大，出于消防和人員安全考慮，對模型中的4個(gè)住艙和相鄰衛(wèi)生間溫度進(jìn)行對比分析。

圖2是未設(shè)置排煙機(jī)時(shí)住艙及衛(wèi)生間在Z=1.5m處煙氣溫度變化曲線，住艙1的溫度在起火不到20s即超過了60°C，已高于人體承受極限。同時(shí)相鄰衛(wèi)生間1的溫度也接近60°C，表明艙室金屬材質(zhì)的導(dǎo)熱性極好，隨著艙室距離著火點(diǎn)距離的增加，溫度逐漸下降，距離著火點(diǎn)最遠(yuǎn)的住艙4溫度已經(jīng)下降到25°C左右。

另外，通道內(nèi)部的煙氣溫度傳播趨勢如圖3所示，可知通道煙氣溫度在起火艙室門口最高，并快速向通道四周蔓延。在燃燒進(jìn)行到80s時(shí)，煙氣溫度在通道內(nèi)已經(jīng)傳播的十分充分，這可為火災(zāi)和人員施救時(shí)間提供參考。

圖2是未設(shè)置排煙機(jī)時(shí)住艙及衛(wèi)生間在Z=1.5m處煙氣溫度變化曲線，住艙1的溫度在起火不到20s即超過了60°C，已高于人體承受極限。同時(shí)相鄰衛(wèi)生間1的溫度也接近60°C，表明艙室金屬材質(zhì)的導(dǎo)熱性極好，隨著艙室距著火點(diǎn)距離的增加，溫度逐漸下降，距離著火點(diǎn)最遠(yuǎn)的住艙4溫度已經(jīng)下降到25°C左右。

2）煙氣能見度特性

煙氣能見度對于人員逃生救生而言具有重要研究價(jià)值，能見度的高低直接影響人員對于逃生路徑的選擇，鑒于上述原因，在T型通道內(nèi)相應(yīng)位置布置能見度傳感器，傳感器布置在Z=1.5m的平面上，具體位置為：傳感器1（X=6.0m，Y=4.5m），傳感器2（X=6.0m，Y=2.5m），傳感器3（X=6.0m，Y=6.5m），傳感器4（X=6.0m，Y=0.5m），傳感器5（X=8.0m，Y=3.5m），傳感器6（X=12.0m，Y=3.5m），建模仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著燃燒的進(jìn)行，煙氣能見度越來越低，在燃燒至40s時(shí)能見度數(shù)值下跌至5m以內(nèi)，表明煙氣濃度增大極快，如果不及時(shí)排除濃煙，將對火災(zāi)及人員施救產(chǎn)生極其不利的影響。在不考慮自然通風(fēng)的情況下，由于煙氣自身的湍流性質(zhì)，靠近通道出口位置的傳感器3和傳感器4能見度數(shù)值起伏較大，在燃燒進(jìn)行40s后基本維持在5m左右?？拷ǖ雷顑?nèi)側(cè)的傳感器6在燃燒進(jìn)行至60s以后能見度數(shù)值已經(jīng)下跌至2m左右，可見在環(huán)境相對封閉的船舶艙室內(nèi)部，煙氣能見度下降極快。

2.2 排煙機(jī)工作時(shí)的煙氣特性

1）排煙機(jī)設(shè)置

顯然，只有當(dāng)排煙機(jī)排煙速率大于煙氣生成速率時(shí)，才有可能把煙氣盡快排除，因此首先需要計(jì)算當(dāng)前模型生成煙氣的速率，為選擇排煙機(jī)功率提供依據(jù)。根據(jù)Thomas-Hinkley等[14]在大量試驗(yàn)和理論研究基礎(chǔ)上提出的軸對稱煙羽流煙氣生成速率計(jì)算公式，如式（2）和式（3）所示：

式中：Ce—煙的質(zhì)量流量系數(shù)，當(dāng)火源發(fā)生在小房間并靠近房間開口時(shí)，Ce=0.21kg/（s·m5/2）;Pf—火源周界長度，m;

H—空間高度，m;

Z—煙氣層界面至可燃物表面的垂直高度，m。

為便于確定排煙量，將煙氣生成率me換算為體積生成率V，換算公式為：

式中：V——煙氣體積生成率，m3/s;

ρ0——環(huán)境溫度下空氣密度，取ρ0=1.22kg/m3;

T——計(jì)算點(diǎn)煙氣平均溫度，K;

T0——環(huán)境的初始溫度，取T0=293K;

?T——煙氣初始溫度與環(huán)境溫度差，K;

Qc—火源總熱釋放率Q的對流部分，kW/m2（通常0.6QQc0.8Q）;

Cp—羽流中氣體的定壓比熱容，Cp=1.02kJ/（kg·K）。

通過公式計(jì)算得出本文棉被燃燒煙氣生成速率為7.5m3/s，因此排煙機(jī)排煙量O應(yīng)不小于7.5m3/s。另外，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范中規(guī)定[15]，對于密閉空間設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng)時(shí)，補(bǔ)風(fēng)量I不應(yīng)小于排煙量的50%。為了研究排煙機(jī)功率對排煙效果的影響并減少其余參數(shù)干擾，依據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)[1]，將補(bǔ)風(fēng)量設(shè)置為排煙量的75%。排煙機(jī)設(shè)置在靠近起火點(diǎn)的通道艙門處，排煙面積為50cm×50cm，考慮人員逃生需要，將補(bǔ)風(fēng)口設(shè)置為與排煙機(jī)對應(yīng)的通道另一側(cè)艙門。

根據(jù)2.1節(jié)仿真結(jié)果，火災(zāi)發(fā)展80s后，煙氣濃度基本達(dá)到飽和，為了考察排煙機(jī)與補(bǔ)風(fēng)量對于排煙效果的影響，排煙與補(bǔ)風(fēng)在火災(zāi)進(jìn)行80s后開啟，考察煙氣完全蔓延情況下的排煙效果。結(jié)合上述分析，具體工況設(shè)置如表1所示。

2）煙氣溫度特性

煙氣溫度與人員耐受度直接相關(guān)，人員逃生需要尋求煙氣溫度較低區(qū)域，并且向逃生通道靠近，因此研究逃生通道及出口的煙氣溫度顯得十分重要。結(jié)合上述工況，對通道內(nèi)煙氣溫度變化趨勢進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，經(jīng)過同樣的排煙與補(bǔ)風(fēng)時(shí)間，工況1（I=5.625m3/s，O=7.5m3/s）通道溫度最高，工況6（I=15.0m3/s，O=20.0m3/s）通道溫度最低，表明在當(dāng)前補(bǔ)風(fēng)量與排煙量關(guān)系下，排煙機(jī)功率越大，煙氣溫度降低越快。

3）煙氣能見度特性

根據(jù)補(bǔ)風(fēng)口和排煙機(jī)位置，在通道內(nèi)選取靠近補(bǔ)風(fēng)口即逃生出口位置設(shè)置能見度傳感器，該位置的能見度對于人員順利逃生具有重要意義，具體計(jì)算數(shù)據(jù)如圖6所示。

由于t在0～80s時(shí)排煙機(jī)未開啟，各工況煙氣蔓延情況相同，為了更加清楚的觀察排煙機(jī)開啟后煙氣蔓延規(guī)律，將t=80s后煙氣能見度數(shù)據(jù)單獨(dú)顯示如圖7所示。

由圖6和圖7可知，在開啟排煙和補(bǔ)風(fēng)后，工況1至工況6的能見度數(shù)值均得到明顯提升，表明排煙機(jī)的排煙效果顯著。需要說明的是，工況1到工況4排煙機(jī)的排煙效果相似，工況5排煙機(jī)的排煙效果明顯提升，之后工況6與工況5排煙效果再次接近，表明在相同煙氣規(guī)模下，選擇適當(dāng)?shù)呐艧煓C(jī)功率和補(bǔ)風(fēng)條件可達(dá)到節(jié)能高效的控?zé)熜Ч?。對于仿真?shí)驗(yàn)中的6個(gè)工況，選擇工況5條件下的排煙機(jī)功率和補(bǔ)風(fēng)條件最符合工程實(shí)際。

3 結(jié)束語

1）針對船舶住艙等小型艙室排煙效率問題，利用PyroSim建模分析了移動(dòng)式排煙機(jī)對排煙效果的影響，結(jié)果表明排煙效率與排煙機(jī)功率和補(bǔ)風(fēng)量成正比。

2）無排煙情況下，燃燒進(jìn)行20s后艙室溫度即超過了人體的最高耐受溫度，燃燒進(jìn)行80s后煙氣即充滿了整個(gè)空間，能見度也迅速下降至3m以下。開啟排煙設(shè)備后，艙室溫度逐漸下降，運(yùn)行至120s時(shí)，通道最高溫度已下降至45°C，并且主要集中在艙室頂部區(qū)域，能見度也快速恢復(fù)至5m以上。

3）對于6種排煙機(jī)工況，隨著排煙機(jī)功率的增大，排煙效果也隨之增強(qiáng)，但是工況1到工況4的排煙效果接近，工況5的排煙效果明顯增強(qiáng)，之后工況6又與工況5排煙效果接近，因此從工程應(yīng)用角度而言，工況5是較為經(jīng)濟(jì)的排煙方式。

4）隨著補(bǔ)風(fēng)量的增大，由于新鮮空氣的進(jìn)入，會(huì)造成火勢的進(jìn)一步擴(kuò)大，艙室溫度也隨之升高，因而在選擇排煙機(jī)功率和補(bǔ)風(fēng)量時(shí)要綜合考慮排煙和火勢蔓延兩種情況，在后續(xù)研究中需要對上述情況進(jìn)行更加深入地探討。

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