基于CFAST 和FDS 的艦船艙室火災蔓延特性對比研究

李陳峰，毛佳寅，宋久振，康子雄，趙勝竹，康濟川

(1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 教育部船舶與海洋工程技術國際合作聯合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 中圖船舶集團有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

艙室火災是艦船的主要事故類型之一。艦船艙室布置復雜、空間受限、通道狹小、可燃物眾多且堆放密集，火災發生概率大。一旦發生火災，蔓延速度快，撲救難度大，嚴重威脅人員和財產安全[1]。為了降低火災危害，開展艙室火災數值模擬，分析火災蔓延規律，是合理設計船舶消防系統和制定人員疏散方案的基礎[2]。

美國國家標準與技術研究院(NIST)開發的基于雙區域模型的CFAST 軟件(the consolidated model of fire and smoke transport，CFAST)和基于大渦模擬的FDS 軟件(fire dynamics simulator，FDS)是目前最常用的火災模擬軟件。其中，CFAST 基于半解析方法，計算效率高，但計算精度受模型形狀和通風條件等影響較大；FDS 采用CFD 技術，通過直接構建火災場景和數值求解，計算精度高，但計算效率較低。美國海軍聯合NIST 采用CFAST 和FDS 對多艘實船火災進行模擬研究，分析艙室火災蔓延規律和2 個軟件的差異[3–4]。Braun E 等[5]構建不同熱釋放功率下的柴油和聚乙烯顆粒火災實驗，通過FDS 數值仿真與4 次大型艦載火災試驗中獲得的數據進行對比分析并評估排煙系統的有效性。結果表明，通過隔離防火艙和相鄰空間通風，可使靠近火源的艙室走廊的環境參數達到生存條件。Peatross M 等[6]基于Mayo Lykes 試驗船對不同通風條件的全尺度艙室火災試驗，為研究艦船火災特性提供了豐富數據。Hoover B 等[7]提出了一種適用于綜合火災增長與煙霧傳輸(CFAST)區域模型的消光系數算法作為溫度熱輻射吸收函數進行數值仿真模擬，發現遠離火源處的實驗數據誤差較大，表明CFAST 在算法上仍有很大的改進空間。Gabriel 等[8]利用CFAST 模擬火災蔓延過程并推導出了火災室內的熱釋放功率。

20 世紀90 年代，中國科學技術大學率先開展船舶艙室火災研究[9–10]。此后，相關單位陸續開展了不同幾何形狀、通風條件和火源形式的艙室火災試驗、數值模擬和風險評估等的研究。鄒高萬等[11]開展了大空間艙室池火試驗，對比分析了煙氣層的沉降規律和煙氣溫度分布規律。陳兵等[12]開展了頂部開口艙室的池火試驗，通過變換油池尺寸與開口大小研究開口尺寸對火災發展過程的影響。胡靖等[13]通過池火試驗觀察到煙氣的循環卷吸現象。上述研究采用的艙室布置以單艙室為主，因此無法有效研究復雜艙室環境下火災煙氣蔓延特性和溫度分布規律。

為了研究艦船火災蔓延規律并分析不同理論模型的適用性，本文根據艦船艙室布置特點，分別采用CFAST 和FDS 開展船舶艙室火災模擬，研究艙室火災溫度分布規律和煙氣蔓延特性，進而對2 種數值方法的求解差異和適用性進行分析。

1 火災模擬的基本原理

1.1 CFAST 的基本原理

CFAST 的理論基礎是雙區域模型，將著火區域分為上下2 層，上層為熱煙氣層，下層為冷空氣層，根據質量、動量和能量守恒以及溫度、密度和氣體濃度等物理量之間的相互關系，通過方程組近似求解火災特性參數，計算效率高，但對于具有復雜幾何形狀、強火源或強通風的火災計算誤差較大[14–15]。

上層熱煙氣層與下層冷空氣層對應的能量、動量和質量微分方程為：

上層熱煙氣層與下層冷空氣層溫度微分方程為：

式中：物理量下標“U”表示上層熱煙氣層區域的參數，物理量下標“L”表示下層冷空氣層區域的參數；mu和ml為 質 量；Qu和Ql為 焓；Tu和Tl為 溫 度；Vu和Vl為 體積；cv為 氣體定容比熱容；cp為氣體定壓比熱容。

1.2 FDS 的基本原理

FDS 提供了直接數值模擬和大渦模擬2 種數值模擬方法，通過建立火災場景，采用數值方法直接求解受火災浮力驅動的低馬赫數湍流控制方程，可以對流場、溫度及溫度場的所有時間尺度和空間尺度進行準確描述，因此FDS 適用于大多數火災場景的模擬，計算精度高，但是計算效率較低[16]。

式中：u為流體速度；p為流體壓力；ρ為流體密度；μ為流體動力黏度；I為二階單位張量；F為作用在流體上的外力。

2 目標艦船艙段基本信息與結構布置

根據艦船機艙區域的特征建立艙段，為了對比分析艙室煙氣蔓延過程中影響的兩大因素——通風口和火源位置，在艙室的布置上采用控制變量法，每層甲板艙室在縱剖面上保持對稱，在保持與火源距離相等的情況下，改變通風口數量。FDS 中艙段模型長寬高分別為24 m×14 m×11 m，圖1 為FDS 典型艙段模型布置圖，其具體設計參數如表1 所示。由于CFAST 中依靠坐標軸建立模型邊界，不能考慮舭部的彎曲特性，所以忽略雙層底的影響并建立簡化模型，圖2 為CFAST典型艙段整體模型,確定火源大小及位置，模擬機艙中船用柴油池火燃燒狀態的煙氣蔓延情況，根據柴油池火在一定燃燒面積下的燃燒速率約為0.[0-9][0-9] 6 ～0.038 kg/(s·m2)，燃燒釋放的熱值約42000 kJ/kg，得到燃燒時熱釋放速率約為 0 .038×42000×15 ≈1600 kW/m2。通過數值仿真計算得到艙段剖面切片溫度變化圖和艙段煙氣可視化顆粒圖并進行定性分析，為進一步定量分析分析煙氣蔓延規律，在機艙區域z=5 m、3 層甲板艙室z=7.5 m、2 層甲板艙室z=10.5 m 處布置熱電偶測定煙氣層溫度。

圖 1 FDS 艙段模型布置圖Fig. 1 Model layout of FDS cabin

表 1 艙段設計參數Tab. 1 Cabin design parameters

圖 2 CFAST 典型艙段整體模型Fig. 2 Overall model of typical CFAST cabin

3 艦船艙段火災蔓延特性對比分析

3.1 整體艙段切片溫度對比分析

圖3 為CFAST 中剖面切片溫度變化圖，可以發現溫度場被分割為上部煙氣層和下部冷空氣層，這是由于CFAST 采用雙區域計算模型。火焰燃燒狀態根據設定的熱釋放功率變化，不受空氣流動影響。在100 s 三層甲板煙氣溫度超過200 ℃，在400 s 后由于到達燃燒所需氧氣質量分數下限，火焰逐漸熄滅，在600 s 火焰徹底熄滅，最終機艙B2 溫度穩定在210 ℃左右。

圖 3 CFAST 中剖面切片溫度變化圖（色標單位：℃）Fig. 3 Temperature change of section in CFAST(color code unit: ℃)

圖4 為FDS 中剖面切片溫度變化圖，可以明顯發現空氣流動狀態對熱羽流流動過程影響很大，這是由于FDS 數值仿真模擬基于大渦模擬計算。100 s 時煙氣基本充滿機艙B2 并由垂直開口蔓延到三甲板的各個艙室，150 s 時火源劇烈燃燒，熱羽流向左上方蔓延，200 s時煙氣基本充滿三甲板各個艙室并向走廊蔓延，400 s由于到達燃燒所需氧氣質量分數下限火焰熄滅，煙氣緩慢沉降至冷空氣層。600 s 時煙氣蔓延至各個艙室，平均溫度大約為250 ℃。因為煙氣流動是一個湍流過程，所以FDS 數值仿真結果更具時效性和可靠性，煙氣蔓延過程也更具真實性。

圖 4 FDS 中剖面切片溫度變化圖（色標單位：℃）Fig. 4 Temperature change of section in FDS (color code unit: ℃)

3.2 整體艙段煙氣可視化顆粒圖分析

圖5 為FDS 艙段煙氣蔓延圖，可以發現在200 s 時由于機艙火災釋放煙氣速度快，煙氣已經基本充滿整個艙段，但難以判斷煙氣濃度差異和蔓延趨勢。圖6為FDS 艙段煙氣可視化顆粒圖，可以直觀發現煙氣的蔓延趨勢與濃度變化。50 s 時煙氣由機艙B2 迅速蔓延至3D?5 走廊，100 s 時3D?5 走廊已經基本充滿煙氣，150 s 時機艙B2 煙氣由水平通風口蔓延至艙室B1 和B3，3D?1 煙氣由垂直通風口蔓延至2D?1、2D?5，到200 s 時煙氣基本充滿整個艙室。400～600 s 艙室內氧氣突破質量分數下限，火源停止燃燒，煙氣與外界空氣對流并逐漸消散。可知，艙室內垂直通風口的數量和位置是影響煙氣蔓延規律的主導因素。

圖 5 FDS 艙段煙氣蔓延圖Fig. 5 Smoke spread diagram in FDS cabin

圖 6 FDS 艙段煙氣可視化顆粒圖Fig. 6 Visualized particle map of FDS cabin smoke

3.3 機艙區域煙氣溫度曲線結果分析

在機艙艙室B2 放置船用柴油作為火源進行煙氣蔓延規律研究。圖7 為機艙區域煙氣溫度時例曲線，可以看出基于FDS 計算得到B2 的煙氣溫度在200 s 時達到峰值623 ℃，隨后下降到289 ℃；基于CFAST 計算得到B2 的煙氣溫度在250 s 時達到峰值556 ℃，隨后下降到228 ℃。溫度峰值差值百分比為12%，到達溫度峰值時間相差50 s。

圖 7 機艙區域煙氣溫度時例曲線Fig. 7 Time case curve of flue gas temperature in engine room

可以發現CFAST 煙氣層溫度曲線為一個規則的開口向下的拋物線。因為FDS 用熱解模型來預測火勢增長，更符合真實的燃燒過程；而CFAST 必須自行定義火勢的發展，這種方法不會因為火源和空間的熱輻射反饋來增加煙氣層溫度，導致誤差較大。

3.4 三層甲板艙室煙氣溫度曲線結果分析

三層甲板艙室3D?1 在靠近弦側走廊的兩側均有水平開口，艙室3D?3 無水平開口。圖8 為艙室3D?1 和3D?3 煙氣溫度時例曲線，對比分析可得2 種計算方法的溫度峰值差值百分比約為16%，到達溫度峰值時間相差120 s。三層甲板艙室3D?2 與3D?4 相比，在y方向上多布置一個水平開口。圖9 為艙室3D?2 和3D?4 煙氣溫度時例曲線，對比分析可得2 個艙室的煙氣溫度規律有趨同性，基于FDS 計算得到的3D?2 煙氣層溫度在353 s 時達到峰值354 ℃，3D?4 煙氣層溫度在349 s時達到峰值408 ℃，隨后2 個艙室的煙氣層溫度均下降至約150 ℃，2 種計算方法得到的3D?2 的溫度峰值的差值百分比為0.56%，到達溫度峰值時間相差148 s；3D?4 的溫度峰值的差值百分比為19%，到達溫度峰值時間相差144 s。

圖 8 艙室3D?1 和3D?3 煙氣溫度時例曲線Fig. 8 Curves of flue gas temperature in cabin 3D?1 and 3D?3

圖 9 艙室3D?2 和3D?4 煙氣溫度時例曲線Fig. 9 Curves of flue gas temperature in cabin 3D?2 and 3D?4

由上述分析可知，水平開口位置與數量對于煙氣層溫度峰值的影響十分明顯。FDS 使用單步混合控制的化學反應模擬3 類物質——空氣、燃料和物體，通過氣體輻射傳熱方程實現。CFAST 采用的理想模型不考慮熱羽流產生的熱輻射，不與建模環境相互影響。2 種不同的數值求解方法導致到達熱羽流溫度峰值的時間產生差異。

3.5 二層甲板艙室煙氣溫度曲線結果分析

二層甲板的布置見圖1（d），其房間與艙段縱剖面保持對稱，但對稱艙室的水平開口數量不同。圖10 為艙室2D?1 和2D?5 煙氣溫度時例曲線，對比分析可知，二層甲板艙室2D?1 與2D?5 的溫度峰值大致相同，為175 ℃，但到達峰值的時間相差約150 s，溫度到達峰值后緩慢下降至100 ℃。

圖 10 艙室2D?1 和2D?5 煙氣溫度時例曲線Fig. 10 Time-case curves of flue gas tempera ture in 2D?1 and 2D?5

圖11～圖13 分別為艙室2D?2 和2D?6 煙氣溫度時例曲線、艙室2D?3 和2D?7 煙氣溫度時例曲線、艙室2D?4 和2D?8 煙氣溫度時例曲線。可以發現艙室2D?8 在CFAST 計算過程中溫度保持不變，這是因為CFAST 中沒有考慮到外界煙氣與艙室氣流的相互作用。

圖 11 艙室2D?2 和2D?6 煙氣溫度時例曲線Fig. 11 Curves of flue gas temperature in cabin 2D?2 and 2D?6

圖 12 艙室2D?3 和2D?7 煙氣溫度時例曲線Fig. 12 Curves of flue gas temperature in cabin 2D?3 and 2D?7

圖 13 艙室2D?4 和2D?8 煙氣溫度時例曲線Fig. 13 Curves of flue gas temperature in cabin 2D?4 and 2D?8

通過查看FDS 艙段煙氣蔓延圖進一步探討2D?4溫度保持不變的原因。圖14(a)、圖14(c) 分別為FDS 中135 s 的二層甲板煙氣蔓延圖和艙段正視圖，可以發現煙氣在135 s 時通過橫艙壁開口向上方蔓延，在200 s 煙氣蔓延至整個2D?4 艙室。圖14(b)、圖14(d)分別為FDS 中200 s 的二層甲板煙氣蔓延圖和艙段正視圖，可以直觀看出200 s 時，FDS 中考慮到了火焰經歷了層流到湍流的轉變，煙氣通過三層甲板的水平開口與外界空氣流通并蔓延到艙室2D?4 和2D?8 導致兩者的熱羽流溫度產生變化，更符合實際情況。

圖 14 FDS 艙段煙氣蔓延圖Fig. 14 Smoke spread diagram in FDS cabin

4 結 語

為了研究船舶火災蔓延規律并分析不同理論模型的適用性，本文開展船舶艙室火災蔓延特性對比分析研究，通過煙氣溫度曲線及蔓延規律的定量分析，對CFAST 和FDS 的差異和適用性進行研究，主要結論如下：

1）CFAST 必須自行定義火勢的發展階段，不包括用熱解模型預測火勢增長，不會因為火源和空間的熱反饋增加熱解量，不考慮物體反饋給墻面或氣體層的輻射熱量，導致熱釋放率曲線呈規則分布，得到的煙氣層溫度誤差較大。

2）CFAST 采用理想模型進行熱輻射計算，假定熱羽流不產生輻射，導致煙氣層溫度偏大，對熱羽流溫度到達峰值時間也有影響。需要對復雜結構火災的規范進行基準測試，特別是有通風系統的火災。

3）在FDS 模擬過程中考慮到了火焰從層流到湍流的轉變，煙氣與外界氣流的相互作用與影響，使得數值仿真結果更具時效性和可靠性。而在CFAST 模擬過程中只考慮到艙室煙氣向外界擴散的單向作用，沒有考慮到外界煙氣蔓延至艙室的情況，特別對于遠源場煙氣的垂直流動方面需要進一步改進。

4）CFAST 建模過程與計算效率較高，對于火災特性快速預報、船舶消防系統的初步設計、多工況單層艙室的火災研究有重要意義。但在詳細設計階段，FDS 能夠確保較高的計算精度，其提供的數據可視化功能能夠更直觀地體現火災蔓延規律。