客船客艙火災及人員疏散仿真研究

陳 斌，商 蕾，孫 俊

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

1 客船客艙火災模擬

隨著全球客船旅游行業的快速發展，世界范圍內的客船旅客量逐年增加[1]，客船海難事故對人們的生命、財產帶來了嚴重的威脅。經調查發現，客船火災在海難事故中占據比例較高[2]，而且由于客船體量龐大、載客量多、可燃物多，一旦發生火災，極易造成人員傷亡[3]。

1)PyroSim模型建立。本文選取某客船為模擬對象，該客船總噸位為4 924 t，長度135.20 m，寬度19.60 m。客區甲板層共有5層，分別為上甲板L1、游步甲板L2、駕駛甲板L3、娛樂甲板L4以及陽光甲板L5。船尾、大堂中庭和船首各設有一套扶梯，分別命名為Ⅰ號、Ⅱ號和Ⅲ號扶梯，L4中部設有集合站和救生艇。真實的客船客艙布局、結構比較復雜，可根據布局情況進行合理簡化，利用火災模擬軟件PyroSim對其進行建模。PyroSim中所有的計算都必須根據網格計算。采用PyroSim對客船客艙進行火災數值模擬時，需要對客艙模型進行網格劃分以確定計算區域及區域網格精度[4]。考慮模擬計算運行時間和計算精度的影響，采用均勻網格劃分法，設置每個單元網格的尺寸為500×500×500，將整個客艙模型劃分為4塊計算區域，共計974 848個單元網格。

2)觀測點設定。在火災的發展過程中，溫度、能見度和煙氣的濃度會隨時間發生變化，同時也會影響人員安全疏散的效率。為了考察客船客艙火災發生后，火災蔓延和煙氣擴散對人員疏散的影響，需要在PyroSim建模時設置一系列探測設備監測客艙內火場煙氣情況，測量煙氣溫度、能見度和CO體積分數，以獲得實時的仿真數據。因此設定L4層的3個觀測點A、B、C分別位于Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號扶梯口處，距離地面2.0 m。

3)安全疏散判定標準。為保證客船客艙發生火災時艙內乘客能夠安全疏散，對火場中的煙氣溫度、能見度和CO體積分數，本文采用以下定量標準判斷人員可用安全疏散時間(ASET)[5]：客船客艙距離地面2.0 m時，煙氣溫度不大于60℃，能見度不小于10 m，CO體積分數不大于400 cm3/m3。

4)火災場景設置。結合客船客艙的內部結構和防火特性，依據最不利原則和概率最大原則，設定了4個典型的火災場景。火災場景1的起火位置位于L1的主餐廳，火災場景2的起火位置位于L2的某一間客房，火災場景3的起火位置位于L3的商務房區域，火災場景4的起火位置位于L4的棋牌室。

客船客艙火災初期和發展階段，火源中可燃物燃燒劇烈，熱釋放率增大，符合時間增長火源類型火災[6]。ISO/TS 16733《火災安全工程第四部分：設定火災場景和設定火災的選擇》中，根據火災增長系數α的值，將火災類型分為4種，結合起火位置可燃物的特性，各火災場景熱釋放速率如表1所示。

表1 各火災場景熱釋放速率

2 火災模擬結果與分析

2.1 觀測點A

分析處理4組火災場景下觀測點A處2.0 m高度處，其能見度、溫度、CO體積分數的數據，觀測點A處各指標變化趨勢如圖1所示。由圖1可知，火災場景1中火源位于L1層主餐廳，距離觀測點A較遠，能見度在283 s開始低于10 m，溫度未達到60 ℃臨界值，CO體積分數也未達到400 cm3/m3。火災場景2中能見度大約在332 s時低于10 m，由于距離較遠，溫度和CO體積分數未發生明顯變化。火災場景3中在243 s的時候觀測點A的能見度低于臨界值，由于該處自然排煙效果較好，溫度基本保持在23 ℃左右，CO體積分數基本保持在240 cm3/m3，均未超過安全指標臨界值。火災場景4中約在168 s時能見度低于10 m，658 s時溫度達到臨界值60 ℃，160 s時CO體積分數高于人體承受的極限值。

圖1 觀測點A處各指標變化趨勢

觀測點A處各指標危險臨界時間見表2。TvisiA為觀測點A處能見度表征的危險臨界時間，TtempA為觀測點A處溫度表征的危險臨界時間，TCOA為觀測點A處CO體積分數表征的危險臨界時間。

表2 觀測點A處各指標危險臨界時間 s

2.2 觀測點B

處理方法如2.1小節，觀測點B處各指標變化趨勢見圖2。火災場景1中，大約在221 s能見度低于10 m，由于相距較遠，觀測點B在1 339 s溫度達到60 ℃，大于1 000 s可不用考慮，CO體積分數也未達到臨界值。火災場景2中，能見度大約在243 s低于10 m，溫度和CO體積分數均未達到危險臨界值。火災場景3中，能見度在164 s開始低于10 m，溫度未達到60 ℃，CO體積分數增加也不多，未超過臨界值。火災場景4中，能見度76 s就達到臨界值，溫度在149 s達到危險臨界值，CO體積分數在205 s達到危險臨界值。

圖2 觀測點B處各指標變化趨勢

觀測點B處各指標危險臨界時間見表3。

表3 觀測點B處各指標危險臨界時間 s

2.3 觀測點C

分析處理方法如2.1，觀測點C處各指標變化趨勢如圖3所示。火災場景1中，由于觀測點C與火源位置相距較遠，在536 s能見度降到10 m以下，溫度和CO體積分數均未達到臨界值。火災場景2中，由于火源位置通風條件較好，大量煙氣排出，因此觀測點C能見度未受到影響，且CO體積分數沒有達到危險臨界值，但距著火位置較近，溫度上升較快，在83 s達到60 ℃。火災場景3中，大約在590 s能見度降至危險臨界值，溫度和CO體積分數增幅不大，人體可以忍受一段時間。火災場景4中，因為觀測點C離火源很近，在20 s時能見度就降低至10 m，30 s溫度就上升至60℃，90 s時CO體積分數達到危險臨界值。

觀測點C處各指標危險臨界時間見表4。

表4 觀測點C處各指標危險臨界時間 s

根據能見度、溫度和CO體積分數的觀測和分析的結果，取安全評價指標中危險臨界時間的最小值作為ASET，觀測點A、B、C處ASET見表5。由表5中可知，火災場景4時觀測點A、B、C的ASET均最小，因此火災場景4為最危險火災場景。

表5 觀測點A、B、C處ASET s

圖3 觀測點C處各指標變化趨勢圖

3 客艙人員疏散模擬

3.1 人員必需安全疏散時間研究

人員的必需安全疏散時間(RSET)TRSET由火災報警時間Talarm、人員反應時間Tresponse、人員運動時間Tmove這3部分組成[6]。

TRSET=Talarm+Tresponse+Tmove。

(1)

某客船安裝有火災探測器和自動報警系統，感知火災能力較強，能在較短時間就探測到火災的發生，因此取Talarm=30 s。考慮到大多數乘客都沒有船舶火災演習的經驗，依照最不利原則，假定人員反應時間Tresponse=30 s。人員運動時間Tmove指的是船上人員移動到疏散地點所需要的時間，即本文疏散模型所模擬的時間段。

3.2 疏散參數及場景設置

該客船共有乘客套房和船員房間202個，按照疏散指南中的人員設置要求，結合該客船的實際情況，假設客船內每個房間都住滿人，因此設置疏散總人數為404人。客艙人員的年齡、性別以及行走速度如表6所示[7]。

表6 疏散人員年齡、性別和行走速度

由上文可知，火災場景4為最危險場景，故疏散場景的火源位置選擇在L4的棋牌室，疏散出口選擇位于L4層的救生艇處。通過對火災產物以及煙氣擴散運動的分析，可以得知位于中廳位置的Ⅱ號樓梯可能會因為容易聚集大量的煙氣而無法行走，因此本文在模擬疏散場景設置2種工況：疏散場景1為Ⅱ號樓梯未失效時，乘客和船員的疏散情況；疏散場景2為Ⅱ號樓梯失效時，乘客和船員的疏散情況。

通過研究客船的內部結構、疏散通道、樓梯數量及位置、集合站和救生艇位置的圖紙信息，構建了客船客艙的物理模型，結合參數設定，建立Pathfinder人員疏散仿真模型。

4 疏散結果分析

4.1 疏散場景分析

圖4為客船客艙疏散人數統計圖，由圖4(a)知，疏散場景1中成功疏散客船客艙404名乘客和船員共使用了393 s。疏散時間為100 s時，成功疏散92名人員，大部分乘客和船員聚集至Ⅱ號樓梯，此時因為樓梯通道較窄而產生擁堵現象，少量人員通過選擇Ⅰ號和Ⅲ號樓梯疏散；疏散時間為200 s時，成功疏散229名人員，剩余待疏散人員集中在Ⅱ號樓梯，L1和L2層人員已經疏散完畢；疏散時間為300 s時，成功疏散322名人員，此時大部分艙室人員已疏散完成。而且，最后一個通過觀測點A的人所用疏散時間為257 s，最后一個通過觀測點B的人所用疏散時間為384 s，最后一個通過觀測點C的人所用疏散時間為168 s。

圖4 客艙疏散人數統計圖

由圖4(b)知，疏散場景2中成功疏散客船客艙404名乘客和船員共計使用了404 s。疏散時間為100 s時，成功疏散65名人員，由于Ⅱ號樓梯聚集大量煙氣而失效，乘客和船員選擇Ⅰ號和Ⅲ號樓梯為逃生路徑；疏散時間為200 s時，成功疏散208名人員，Ⅰ號樓梯已無待疏散人員，Ⅲ號樓梯因為人員較多出現擁堵現象；疏散時間為300 s時，剩余人員基本位于Ⅲ號樓梯和L4層。而且，最后一個通過觀測點A的人所用疏散時間為189 s，最后一個通過觀測點B的人所用疏散時間為270 s，最后一個通過觀測點C的人所用疏散時間為339 s。

4.2 安全性判斷

將各疏散場景下ASET和RSET進行對比分析，根據客船客艙火災安全疏散判定標準，不滿足ASET>RSET的疏散場景均判定為不安全情景，火災場景4在2種疏散場景下的安全性判斷結果見表7。

表7 火災場景4在2種疏散場景下的安全性判斷 s

5 結束語

1)利用PyroSim軟件對4種火災場景進行數值模擬，分析火災發生過程中各觀測點能見度、溫度和CO體積分數的變化規律，可以知道火災場景4為最危險場景，此場景下觀測點A、B、C的ASET分別為168 s、76 s和20 s。

2)利用Pathfinder軟件對船上人員在最危險場景下的疏散行為進行模擬，得到場景1、場景2各觀測點的RSET。對比ASET和RSET，可以判斷在最危險火災場景下，無論Ⅱ號樓梯是否失效，船上人員都不能全部安全疏散，因此需要制定相應的火災防范措施和安全疏散對策。