豎直開口船舶艙室火災煙氣流動蔓延特性理論和仿真分析

丁立斌 程志剛

摘要：以豎直開口艙室船舶油池火災為研究對象，在溢流煙氣流動蔓延模型的基礎上建立溢流煙氣點源簡化模型;采用火災仿真軟件FDS對艙室火場重構，對豎直開口處煙氣流動特性以及鄰艙內火場特性進行仿真分析，并在此基礎上對點源簡化模型的適用性進行仿真驗證。

關鍵詞：船舶艙室;計算和驗證

船舶火災以其高溫、毒性和遮光性影響火災救援和人員逃生，嚴重威脅船舶生命力。國內外學者對船舶腔室火災開展了廣泛研究，主要集中于腔室火災燃燒特性和煙氣填充規律。其中，毗鄰艙室（通道）間的火災煙氣流動與蔓延相關研究僅涉及開口溢流煙氣特性研究，并未考慮其對鄰艙（通道）的影響。

本文以船舶豎直開口艙室火災為例，研究起火艙對毗鄰艙室的影響，進而為船舶火災消防策略制定提供參考：（1）建立豎直開口艙室和鄰艙煙氣流動模型;（2）對開口溢流煙氣流動特征進行建模分析;（3）對煙氣流動蔓延模型的適用性進行仿真驗證。

一、船舶艙室煙氣填充過程

在豎直開口艙室中，火災煙氣在熱浮力作用下通過羽流卷吸沿羽流中心線垂直向上，在頂棚下方形成煙羽流區域。隨著熱煙氣的積聚，這一羽流區域在重力和壓力作用下通過煙氣沉降向艙室底部蔓延。當煙氣層厚度位于豎直開口內時，火災煙氣在壓差作用下以開口溢流的形式向鄰艙蔓延，通過頂棚射流在鄰艙內形成熱煙羽流區域，如圖1所示。

二、溢流煙氣流動模型

在船舶艙室火災中，開口溢流是火災蔓延的基礎，也是煙氣擴散和火場溫度的關鍵因素。因此，必須研究開口溢流煙氣流動規律，分析其對艙室間煙氣流動特性的影響。

（一）豎直開口煙氣流動模型

本文采用國內外豎直開口溢流煙氣流動模型對開口煙氣特征參數進行理論建模：

（二）豎直開口點源簡化模型

在艙室豎直開口處溢流煙氣呈現明顯的分層，上層為熱煙氣在開口處形成穩定煙羽流區，如圖2所示。在池火虛點源假設的基礎上，根據點源羽流模型：

三、理論計算和仿真驗證

（一）開口艙室CFD仿真模型

選用直徑為0.2m、0.4m、0.6m、0.8m和1.0m的油池火模型，火源位于標準艙室中心位置。采用t2火模擬實船庚烷油池火災，火源特征參數根據標準設定（見表1）;參考網格劃分標準? ? ? ? ? ? ? ? ?（其中? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ），火源區、開口附近區域網格局部加密。仿真過程中環境參數設置為溫度293K，壓力1.0×105Pa，密度1.2kg/m3，，定壓比熱容1.0kJ/kg·k。

（二）CFD仿真結果分析

仿真過程中共布置了4支熱電偶樹，同支熱電偶樹上不同熱電偶間隔0.1m。此外，在開口處布置了質量流探頭對進出口氣體流量進行測量，如圖4所示。

（三）煙氣流動參數對比分析

將煙氣質量流率和煙氣溫升等進行計算并與仿真結果進行對比分析（如表2）可知：（1）豎直開口處煙氣的質量流率和溫升的理論計算結果與仿真結果具有較大的一致性;（2）鄰艙內頂棚最大溫升理論計算結果與仿真結果在趨勢上具有一致性。（3）在理論計算和仿真分析過程中開口附近頂棚區域溫升均大于25℃，因此可通過在開口附近布置火災溫度探測裝置進行火災預警和火源艙識別，為火災救援提供參考。

四、結語

本文在豎直開口船舶艙室火災流動蔓延模型的基礎上，建立了開口點源簡化模型，并對這一模型進行了仿真驗證。研究結果表明：

1.開口點源簡化模型可應用于豎直開口火源艙附近艙室火災危害性評估，能夠直觀反映溢流煙氣流動蔓延規律;

2.鄰艙內近火源艙區域受火源艙影響顯著，因此，可通過有效布置火災探測裝置尤其是溫度探測裝置達到船舶火災預警和火災識別的目的。

此外，本文是通過火源熱釋放速率理論計算進行艙室火災重構的，因此仍需開展相關課題的實驗驗證，對豎直開口艙室火災煙氣流動模型進行深入探討分析。

參考文獻：

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作者簡介：丁立斌（1984—），男，工程師，主要研究方向：艦船火災安全防護。