艦船發(fā)電機艙典型火災場景仿真分析

張宏，胡洋，熊言義，王雅文，王旭陽

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所 鄭州市特種場所火災防護技術重點實驗室，鄭州 450015)

機艙火災具有極強的破壞性，機艙火災是國內外學者和研究艦船火災安全所關注的重點。某型艦機艙設置了發(fā)電機艙和推進電機艙，發(fā)電機艙內布置有柴油發(fā)電機組與配電設備，推進電機艙內布置有推進電機，發(fā)電機艙內有大量柴油等可燃物，一旦著火發(fā)生火災，將對艙室內設備造成重要危害并影響艦船電力供應。因此，需要分析發(fā)電機艙內典型火災場景，便于制訂消防設計以及滅火策略。針對某型艦發(fā)電機艙可能發(fā)生的柴油油池火火災，采用LES技術，利用火災動力學分析軟件FDS開展典型火災場景仿真分析，獲取發(fā)電機艙典型油池火火災場景下艙室內溫度變化規(guī)律及煙氣蔓延特性。

1 數(shù)值計算方法

1.1 基本方程組

受限空間內的火災熱流場主要為熱浮力驅動的低馬赫數(shù)流動過程，此類受重力作用的多組分理想氣體熱流動過程通用控制方程組為

1)質量守恒方程。

(1)

2)動量守恒方程。

(2)

3)能量守恒方程。

(3)

4)組分方程。

(4)

5)理想氣體狀態(tài)方程。

(5)

1.2 大渦模擬技術

(6)

(7)

式中：為流動區(qū)域；為求解渦旋尺度的濾波函數(shù)。

1.3 燃燒模型

火災燃燒模型通常有兩種典型處理方法：一種認為燃燒反應是有限速率，但計算時通常需要劃分非常精細的網(wǎng)格，不適用于大尺寸火焰燃燒；第二種將燃燒過程簡化處理，認為燃料和氧氣混合燃燒速率無限快，燃燒過程僅與二者混合分數(shù)有關，這種處理方法可以簡化計算量，更適合于對于較大空間內火災的模擬，對于單步瞬時反應，假設燃料與氧氣混合后的反應及相關計算參考文獻[9]。

CHON+OO→

COCO+HOHO+CO+Soot+NN

1.4 熱輻射模型

熱輻射在火災流場中對火勢的擴大和人員的安全威脅有較大影響，但由于物理過程中熱輻射其本身的復雜特性，使對其精確模擬還存在一定的難度，目前所使用的模型只能對其進行簡化處理。由非散射灰體的輻射輸運方程可得

(8)

式中：為射線方向單位矢量；(,)為沿射線方向的輻射強度；為吸收系數(shù)；為黑體輻射強度，由斯蒂芬—波爾茲曼四次方定律進行計算。

火場中空間固體壁面處的輻射強度可表示為

(9)

式中：()為壁面輻射強度；為發(fā)射率；為壁面黑體輻射強度。

2 仿真模型

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

某型艦發(fā)電機艙縱跨雙層底及平臺甲板，艙室內主要有柴發(fā)機組、燃發(fā)機組及配電室等設施，艙室尺寸為20 m×24 m×8 m，平臺甲板甲板距離艙室底部距離為3.5 m，平臺甲板上在柴發(fā)機組附近設有開口。另外，機艙發(fā)生火災時通過風油遙切將通風關閉，因此不考慮機艙的送排風系統(tǒng)。建立仿真模型，將發(fā)電機艙近似為密閉艙室，見圖1。

圖1 幾何模型

仿真模型采用六面體結構化網(wǎng)格劃分，針對油池火仿真，可使用量綱-的量表達式作為判斷計算流場準確度的標準，一般情況下，當≈10，認為網(wǎng)格尺寸滿足計算精度要求，其中為最小網(wǎng)格尺寸，為火源特征尺寸。

(10)

式中：為總火源功率，kW；為空氣密度，取值為1.225 kg/m；為空氣比熱，1.005 kJ/(kg·K)；為環(huán)境溫度，293 K(常溫)；為重力加速度，取9.81 m/s。

本文所使用油池火火源功率為6 MW，計算的火源特征尺寸為1.95 m。綜合考慮計算精度及計算耗時，將仿真模型最小網(wǎng)格尺寸定義為0.2 m，此時=9.75，發(fā)電機艙室油池火火災仿真模型網(wǎng)格數(shù)量為48萬。

2.2 火源設置

艙室內主要火災場景考慮柴油泄漏形成油池火火災事故，因此考慮油池火源位置在雙層底柴油機組附近，火源位置布置見圖2。

圖2 發(fā)電機艙底部火源的布置位置

火源中心位置坐標為(18 m，11 m，0)。機艙為A類機器處所，機艙燃燒參數(shù)參考IMO相關規(guī)范，選取油池火火源面積為4 m，火源功率為6 MW，單位面積熱釋放速率速率為1 500 kW/m。柴油油池火屬于快速火，通過=計算火源達到最大熱釋放速率所需時間，柴油油池火α取為0.187 8，計算得到火源達到最大熱釋放速率所需時間為179 s，仿真過程中火源總熱釋放速率的變化見圖3。

圖3 燃料總熱釋放速率的變化

2.3 測點布置

為了分析發(fā)生火災后發(fā)電機艙內溫度變化規(guī)律，在艙室內=1 m和=18 m剖面上布置21個溫度測點，見圖4。

圖4 溫度測點布置示意

3 計算結果分析

發(fā)電機艙典型火災場景仿真測點溫度模擬結果見圖5。

圖5 測點溫度曲線

由圖5可見，在火災發(fā)展階段，艙室內溫度隨之快速上升；當火源達到最大熱釋放速率后，火勢達到最大，各測點溫度上升至最高并相對穩(wěn)定；隨著艙室內氧濃度的降低，當火勢呈現(xiàn)衰減趨勢時，艙室內各測點溫度開始快速下降。

圖5a)為燃發(fā)機組右側距離右舷艙壁=1 m，高度分別2.5 m、6.0 m的平臺甲板上下兩層沿方向布置的測點溫度變化曲線，相鄰測點間隔6.0 m。可以看出，距離火源中心水平距離最近的TX04測點，由于未受到燃發(fā)機組及平臺甲板的遮擋，其溫度上升最快，快速溫升階段其溫升速率可達1.5 ℃/s，最高溫度可達到276 ℃；而位于=1 m的TX01測點，溫度僅能上升至176 ℃，溫差可達100 ℃，表明在該火災場景下，平臺甲板下方區(qū)域靠近船首一側(軸正向)溫度場受火災影響更大，溫度較高，而靠近船尾一側溫度相對較低。另外，平臺甲板上方測點溫度均低于下方測點溫度，并且與平臺甲板下方類似，平臺上方區(qū)域沿著軸正向分布測點溫度依次增高。約630 s時，火勢開始減小并逐漸熄滅，測點溫度快速下降，并且平臺甲板下方區(qū)域溫度下降速度快于平臺甲板上方，680 s后，平臺甲板上方測點溫度超過下方測點。

圖5b)為=18 m，高度分別=2.5 m和6.0 m的平臺甲板上下兩層區(qū)域內沿方向布置的測點溫度變化曲線，相鄰測點間隔6.0 m。從圖中可以看出，平臺甲板下方布置在火源左側的測點TY01和TY02溫度要比火源右側布置的TY03和TY04測點溫度更高，這主要火源左側的平臺甲板開口較小，高溫煙氣更容易積累。

圖5c)為火源中心正上方以及=36.5 m、=18 m位置處不同高度處的溫度變化曲線，TZ01和TZ02高度分別為1.5 m和3.0 m，受火焰的影響最明顯，平均溫度可達480 ℃。對于平臺上方區(qū)域，高度越高的位置溫度越高，這主要是高溫煙氣在艙室頂部聚集的緣故。

=18 m、=1 m及=7 m剖面不同時刻溫度變化見圖6。

圖6 x=18 m、y=1 m及z=7 m剖面不同時刻溫度變化

其中，=18 m為過火源中心的剖面，=1 m為燃發(fā)機組與右舷艙壁間的剖面，=7 m為艙室頂部下方1 m位置的剖面。從圖中可以看出，=60 s時，火災處于發(fā)展初期階段，火災對艙室內溫度影響較小，僅火源正上方小范圍區(qū)域內溫度受到火災的影響；=120 s時，火勢進一步擴大，火源上方高溫區(qū)域范圍增加，平臺甲板下方區(qū)域以及艙室頂部煙氣開始聚集，溫度逐步升高；=240 s后，火源熱釋放速率已達到峰值并持續(xù)穩(wěn)定在峰值附近。此時，火災對艙室內溫度影響最大，平臺甲板下方區(qū)域及艙室頂部區(qū)域溫度均上升至110 ℃以上；=650 s時，火勢已經(jīng)在逐步衰減，=720 s時，火焰已完全熄滅，并且火源附近區(qū)域下降至與艙室內其它區(qū)域溫度一致，艙室內溫度場整體上呈現(xiàn)上高下低的分布。

發(fā)生火災事故后不同時刻艙室壁面及平臺甲板表面的溫度分布見圖7。

圖7 艙壁及平臺甲板表面溫度分布

由于發(fā)電機艙空間相對較小，并且布置設備較多，艙室壁面及平臺甲板的溫度受火災影響十分明顯，考慮熱傳導及輻射熱，機艙內高溫壁面對設備及人員的安全影響不可忽略。

從圖7中可以看出，=120 s時，受火災的影響，火源正上方平臺甲板區(qū)域開始升溫，隨著火勢的發(fā)展，平臺甲板上溫度超過120 ℃的高溫區(qū)域不斷擴大，甚至在600 s至720 s間火勢開始下降甚至熄滅后，艙室內火源附近溫度場迅速下降，而平臺甲板上高溫區(qū)域卻仍在向兩側擴展，平臺甲板上溫度超過120 ℃的面積持續(xù)擴大。因此，火焰熄滅后，艙室內平臺甲板及其他壁面上的高溫危害性不容忽視。

不同時刻艙室內火焰及煙氣蔓延情況見圖8，可以看出，火災發(fā)生后，煙氣不斷通過平臺甲板上開口進入艙室上半部分區(qū)域，大約=320 s時，煙氣完全充滿艙室。

圖8 火焰及煙氣蔓延過程

4 結論

1)發(fā)電機艙艙室空間相對較小，一旦發(fā)生火災，艙室內溫度迅速上升，平臺甲板下方煙氣聚集的區(qū)域溫度可在179 s后升至200 ℃以上，平臺甲板上方區(qū)域溫度也均可上升至110 ℃以上。

2)發(fā)電機艙艙壁溫度受明火火焰及高溫煙氣的影響明顯，尤其是平臺甲板上位于火源正上方區(qū)域的壁面溫度可達到120 ℃以上，并且在火焰熄滅后，壁面溫度仍能夠長時間維持較高的溫度。

3)火災產(chǎn)生的煙氣可通過平臺甲板上柴發(fā)機組周圍開口迅速向艙室頂部蔓延，大約320 s后煙氣充滿艙室。

4)由于艙室的密閉性，火災發(fā)生后10 min時，火勢已經(jīng)明顯大幅衰減，火焰開始快速熄滅，艙室內溫度快速下降，12 min時，火源附近區(qū)域下降至與艙室內其它區(qū)域溫度一致，艙室內溫度場整體上呈現(xiàn)上高下低的分布特性。