環(huán)境風(fēng)作用下船舶甲板庚烷油池火下游氣體溫度分布特性

毛少華,郝文杰,王 鍇,李 博*,劉石山,彭玉輝

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心,湖北 武漢 430064)

火災(zāi)是影響船舶安全的一個(gè)重要因素。例如:2018年3月,“Maersk Honam”號(hào)貨船甲板突發(fā)火災(zāi),因甲板上存放著大量貨物,海風(fēng)加快了火災(zāi)的蔓延,導(dǎo)致5名船員在事故中死亡;2019年12月,“庫茲涅佐夫上將”號(hào)船舶在摩爾曼斯克碼頭維修時(shí)甲板起火燃燒,翌日甲板上的大火才被撲滅,事故共造成2人死亡、19人受傷。由此可以發(fā)現(xiàn)船舶甲板火災(zāi)極具破壞性,為了實(shí)現(xiàn)有效的火災(zāi)防控,有必要開展船舶甲板火災(zāi)研究。船舶甲板上油料泄漏是引發(fā)火災(zāi)的原因之一[1],可將船舶甲板上油料泄漏引發(fā)的火災(zāi)看作油池火燃燒,其燃燒時(shí)的羽流溫度分布特性是衡量火災(zāi)對(duì)人員和設(shè)備危害程度的關(guān)鍵性指標(biāo)。

油池火災(zāi)的溫度分布主要包括羽流中心豎直方向上的溫度分布。針對(duì)羽流形成的溫度分布,前人建立了許多經(jīng)典模型[2-5]。如:Zukoski[2]在集氣罩中用小尺寸火源開展火災(zāi)試驗(yàn),提出了理想狀態(tài)下的羽流溫度分布公式;Heskestad[3]對(duì)部分理想火羽流的假設(shè)進(jìn)行了修正,建立了羽流中心線溫度預(yù)測模型。但上述兩人提出的公式只適用于平均火焰高度以上的羽流,無法對(duì)整個(gè)羽流區(qū)域的溫度分布進(jìn)行預(yù)測。McCaffrey[4]通過開展甲烷擴(kuò)散火試驗(yàn),結(jié)合無量綱分析,得到了整個(gè)羽流區(qū)域的中心線溫度與高度和火源熱釋放速率之間的函數(shù)關(guān)系;Shen等[5]通過分析丙烷池火火災(zāi)試驗(yàn)中羽流連續(xù)區(qū)域的溫度分布,修正了McCaffrey模型。

上述對(duì)羽流中心線區(qū)域溫度分布的研究主要針對(duì)無風(fēng)條件。然而,現(xiàn)實(shí)場景下,船舶甲板火災(zāi)多發(fā)生在涉及環(huán)境風(fēng)的開放場景。針對(duì)有風(fēng)條件下的溫度場分布,Himoto[6]開展了不同風(fēng)速(0.72～1.48 m/s)下不同火源功率(38.3～345.0 kW)的火災(zāi)試驗(yàn)研究,由于試驗(yàn)風(fēng)速范圍相對(duì)于火源功率范圍較小,火焰傾斜不明顯,沒有出現(xiàn)火焰貼地等現(xiàn)象,因此火源下游溫度隨著與火源距離的增加而衰減;苗磊[7]采用CFD技術(shù)對(duì)不同邊長的方形油池開展了不同風(fēng)速下(0、7.7和15.4 m/s)火災(zāi)數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明:無風(fēng)條件下,火焰垂直向上發(fā)展,高溫區(qū)域主要位于火焰內(nèi)部,在水平方向上影響范圍小;有風(fēng)條件下,火焰嚴(yán)重傾斜,當(dāng)風(fēng)速為7.7 m/s時(shí),火焰與地面的夾角在27°～38°之間,油池附近出現(xiàn)貼地火焰,當(dāng)風(fēng)速為15.4 m/s時(shí),火焰與地面的夾角在13°～20°之間,火焰長度更大。

綜上可知,學(xué)者們對(duì)有風(fēng)環(huán)境下開放空間油池火下游的溫度分布進(jìn)行了相關(guān)研究,但是前人的研究更多的是對(duì)溫度分布規(guī)律的定性描述,缺乏可供定量分析的預(yù)測模型,同時(shí)前人的研究存在著環(huán)境風(fēng)速工況劃分粗糙、研究的系統(tǒng)性不足等問題。鑒于此,本文針對(duì)現(xiàn)有研究的不足,運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了更為精細(xì)風(fēng)速場景下船舶甲板庚烷油池火下游氣體溫度分布特性,并基于理論分析提出了溫度分布預(yù)測模型,研究結(jié)果有望為船舶消防工作提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 數(shù)值仿真

1.1 仿真軟件

本研究選用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)研發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬(fire dynamics simulator,FDS)軟件進(jìn)行大渦模擬(LES),FDS軟件采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)低馬赫數(shù)流動(dòng)的N-S方程,重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程[8]。由于FDS軟件是開源項(xiàng)目,截至目前仍在不斷優(yōu)化和完善,其準(zhǔn)確性得到了大量試驗(yàn)驗(yàn)證,在火災(zāi)科學(xué)數(shù)值模擬研究與實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[9-12]。本研究通過FDS軟件 6.7.6版本進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

1.2 計(jì)算模型

將整個(gè)計(jì)算區(qū)域尺寸設(shè)置為1.9 m×0.5 m×1 m,無風(fēng)條件下,計(jì)算區(qū)域底部邊界設(shè)定為“INERT”,四周及頂部邊界設(shè)定為“OPEN”;有風(fēng)條件下,參考前人相關(guān)試驗(yàn)對(duì)仿真模型進(jìn)行調(diào)整。Hu等[13]使用15 cm的方形庚烷油池,在0～2.8 m/s的環(huán)境風(fēng)速下開展了火災(zāi)試驗(yàn),結(jié)果表明:在風(fēng)速達(dá)到2.4 m/s以上時(shí),火焰貼地長度基本不變。結(jié)合預(yù)模擬結(jié)果,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到3 m/s以上時(shí),火焰已基本完全貼地,火源下游氣體溫度分布趨于一致,故本研究選取的風(fēng)速范圍為0～3 m/s。在無風(fēng)條件的基礎(chǔ)上,將火源右側(cè)的計(jì)算區(qū)域邊界更改為“SUPPLY”,分別提供0.5、1、1.5、2、2.5和3 m/s的穩(wěn)定風(fēng)速;在計(jì)算區(qū)域底部鋪設(shè)一層1 cm厚的金屬甲板,甲板材質(zhì)為 “STEEL”;方形火源邊長為0.12 m,位于計(jì)算區(qū)域的右側(cè),油池中心距離計(jì)算區(qū)域右側(cè)邊界為0.3 m,以正庚烷為燃料,分別采用10、20、30和40 kW的火源功率;將熱電偶均勻布置在火源中心下游,相鄰熱電偶間距為0.03 m,熱電偶與甲板面的豎向距離為0.01 m,過火源中心設(shè)溫度切片和燃料濃度(體積分?jǐn)?shù))切片(Y=0.25 m)。建立的仿真模型示意圖如圖1所示。

圖1 仿真模型示意圖Fig.1 Simulation model diagram

本次數(shù)值仿真的初始環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃,初始?xì)鈮涸O(shè)為1.013×105Pa,每組工況的仿真時(shí)間設(shè)為60 s。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)結(jié)果,本研究選取40～60 s作為穩(wěn)定段,并取該段溫度均值作為對(duì)應(yīng)工況達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫度。模擬工況設(shè)置詳見表1。

表1 模擬工況設(shè)置

1.3 網(wǎng)格獨(dú)立性分析

FDS軟件常采用大渦模擬(LES)的方法來處理流動(dòng)中的湍流問題,LES的核心在于直接采用控制方程計(jì)算網(wǎng)格以上的流動(dòng)參量,對(duì)于亞網(wǎng)格尺度的耗散則采用模型模擬,所以網(wǎng)格的劃分會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[14]。網(wǎng)格單元的大小決定了偏微分方程離散的時(shí)間步長和空間步長。原則上,網(wǎng)格越密,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性越高,考慮到計(jì)算機(jī)的性能和仿真時(shí)間,需要選取合適的網(wǎng)格尺寸,在保證精度的同時(shí)盡可能地減少計(jì)算時(shí)間。

根據(jù)FDS軟件用戶手冊[15]中的方法進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析,計(jì)算合適的網(wǎng)格尺寸。在FDS軟件計(jì)算過程中,網(wǎng)格尺寸需要通過無量綱數(shù)D*/δx進(jìn)行表征,其中D*為火源特征直徑,δx為網(wǎng)格尺寸。火源特征直徑D*可由下式計(jì)算得出:

(1)

McGrattan等[15]推薦的D*/δx值在4～16之間。以本研究中最小火源功率10 kW 的工況為例,得到網(wǎng)格尺寸的取值范圍為0.009 5～0.038 m。為了保證研究結(jié)果的可靠性,本研究選擇6個(gè)典型網(wǎng)格尺寸,分別為0.007 5、0.010 0、0.015 0、0.020 0、0.030 0、0.040 0 m。為了進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析,在火源功率為10 kW的油池正上方布置1列溫度測點(diǎn),相鄰測點(diǎn)的豎向間距為0.030 0 m。比較不同網(wǎng)格尺寸下的火源中心豎向溫度分布,其結(jié)果見圖2。

圖2 網(wǎng)格獨(dú)立性分析Fig.2 Mesh sensitivity analysis

由圖2可以看出:隨著網(wǎng)格尺寸的減小,火源中心豎向溫度分布逐漸趨于一致;當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.007 5 m和0.010 0 m時(shí),火源中心豎向溫度分布差別極小,即網(wǎng)格尺寸達(dá)到0.010 0 m后,再縮小網(wǎng)格,仿真結(jié)果的精度不會(huì)明顯提高,反而會(huì)增加計(jì)算時(shí)間,故本研究選擇0.010 0 m作為模擬的網(wǎng)格尺寸。

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 火源下游船舶甲板近壁面氣體溫度縱向分布特性

無風(fēng)條件下不同功率火源下游甲板近壁面氣體溫度縱向分布,如圖3所示。

圖3 無風(fēng)條件下不同功率火源下游船舶甲板近壁面氣體 溫度縱向分布Fig.3 Longitudinal gas temperature distribution near the wall on the ship deck downstream of the fire with varying heat release rates under no wind conditions

由圖3可以看出:無風(fēng)條件下,火焰呈豎直向上的發(fā)展趨勢;火源下游甲板近壁面氣體溫度隨著與火源中心距離的增加而衰減,沒有貼地火焰,故對(duì)火源下游甲板近璧面附近的氣體溫度影響較小。

有風(fēng)條件下不同功率火源下游船舶甲板近璧面氣體溫度縱向分布,如圖4所示。

圖4 有風(fēng)條件下不同功率火源下游船舶甲板近壁面氣體溫度縱向分布Fig.4 Longitudinal gas temperature distribution near the wall on the ship deck downstream of the fire with varying heat release rates under windy conditions

由圖4可以看出,有風(fēng)條件下,當(dāng)風(fēng)速為0.5 m/s時(shí),10 kW和20 kW火源下游甲板近壁面氣體溫度呈“下降—上升—下降”的規(guī)律,而30 kW和40 kW火源下游甲板近壁面氣體溫度分布規(guī)律與無風(fēng)時(shí)近似,這是因?yàn)?0 kW和40 kW火源所受熱浮力較10 kW和20 kW火源所受熱浮力大,抵抗側(cè)向風(fēng)誘導(dǎo)的水平慣性力的能力更強(qiáng),因此火焰傾斜程度較小,基本沒有貼地火焰,而10 kW和20 kW火源在側(cè)向風(fēng)的作用下火焰傾角較大,存在明顯的火焰貼地現(xiàn)象;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到1 m/s以上時(shí),不同功率火源下游甲板近壁面氣體溫度不再隨著與火源中心距離的增加呈單調(diào)遞減,而是呈現(xiàn)出兩次先升后降的規(guī)律,整體上可劃分為以下3個(gè)區(qū)間:

1) 區(qū)間①內(nèi),火源下游甲板近璧面氣體溫度分布呈先升后降的趨勢。以風(fēng)速1.5 m/s為例,借助火源(20 kW)及下游時(shí)均(40～60 s)氣體溫度切片[圖5(a)]和燃料濃度(體積分?jǐn)?shù))切片[圖5(b)]可以解釋上述趨勢:火源中心為燃料富集區(qū),燃燒不充分,火源中心氣體溫度相對(duì)較低;燃料富集區(qū)的燃料受熱浮力和慣性力作用向火源下游偏移,在此過程中與空氣摻混,充分燃燒,氣體溫度較火源中心處高,從而出現(xiàn)圖4 (c)中階段①的氣體溫度峰值;階段①中,達(dá)到氣體溫度峰值點(diǎn)后,由于燃料含量降低,燃燒減弱,在氣體溫度峰值點(diǎn)后的一段距離內(nèi),氣體溫度呈下降趨勢,整段過程對(duì)應(yīng)圖5(a)中的Ⅰ段。

圖5 1.5 m/s風(fēng)速下20 kW火源下游船舶甲板近壁面 氣體溫度和燃料體積分?jǐn)?shù)切片云圖Fig.5 Slice of gas temperature and fuel volume fraction near the wall on the ship deck downstream of the 20 kW fire at 1.5 m/s wind speed

2) 區(qū)間②內(nèi),火源下游一定間距處甲板近壁面氣體溫度再次躍升。從瞬時(shí)氣體溫度切片[圖5(c)]發(fā)現(xiàn),此時(shí)氣體溫度躍升處可看作產(chǎn)生(部分)火羽流的“虛點(diǎn)源”。在環(huán)境風(fēng)作用下,部分燃料被吹離,與火源一定間距處完全摻混燃燒,從而對(duì)應(yīng)的局部氣流溫度較大,此過程對(duì)應(yīng)圖5(a)中的Ⅱ段。

3) 區(qū)間③內(nèi),火源下游甲板近壁面氣體溫度隨著與火源中心距離的增加呈單調(diào)遞減,當(dāng)距離增加到一定程度時(shí),火源下游甲板近壁面氣體溫度趨于初始環(huán)境溫度。

火源功率對(duì)火源下游甲板近壁面氣體溫度分布具有顯著的影響,無風(fēng)條件下,火源下游甲板近壁面氣體溫度隨著火源功率的增加而增大;有風(fēng)條件下,不同功率火焰會(huì)產(chǎn)生不同程度的傾斜,達(dá)到一定風(fēng)速時(shí)會(huì)出現(xiàn)貼地火焰。由圖4可以看出,風(fēng)速較小時(shí)(0.5、1 m/s),較大功率火源(30、40 kW)的火焰傾斜程度較10 kW和20 kW火源火焰傾斜程度弱,貼地火焰長度更短,火源中心下游甲板近壁面氣體溫度整體較10 kW和20 kW火源更低;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到1.5 m/s以上時(shí),10 kW和20 kW火源的火焰傾斜已臨極限狀態(tài),火焰傾斜程度和貼地火焰長度與風(fēng)速為1 m/s時(shí)無明顯差異,30 kW和40 kW火源的火焰較風(fēng)速為1 m/s下進(jìn)一步傾斜,火焰貼地長度增大,因此30 kW和40 kW火源下游甲板近璧面氣體溫度整體較10 kW和20 kW火源高。

通過觀察圖4中1.5～3 m/s風(fēng)速下火源下游甲板近壁面氣體溫度分布圖可知,整體而言,火源功率的大小會(huì)影響火源下游甲板近壁面出現(xiàn)氣體溫度峰值點(diǎn)的位置。對(duì)于區(qū)間①內(nèi)的氣體溫度峰值點(diǎn)位置,火源功率越小,火源中心燃料含量越低,其受氣流影響向下游偏移的程度越大,從而氣體溫度峰值點(diǎn)出現(xiàn)的位置距火源中心更遠(yuǎn);對(duì)于區(qū)間②內(nèi)的氣體溫度峰值點(diǎn)位置與火源功率之間的規(guī)律與區(qū)間①內(nèi)的相反,火源功率越大,氣體溫度峰值點(diǎn)距火源中心越遠(yuǎn)。對(duì)于小功率火源,當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時(shí),火焰幾乎完全貼地,繼續(xù)增大風(fēng)速,火焰貼地長度不會(huì)有明顯變化;對(duì)于大功率火源,其火焰傾斜程度和貼地火焰長度與風(fēng)速(一定范圍內(nèi))呈正相關(guān),火焰尖端距離火源中心更遠(yuǎn),火焰釋放的熱量能傳達(dá)至更遠(yuǎn)處,且大功率火源釋放的燃料更多,在環(huán)境風(fēng)作用下在火源下游形成“虛點(diǎn)源”的位置更加遠(yuǎn)離火源。

2.2 溫升峰值點(diǎn)下游氣體溫度衰減模型

在環(huán)境風(fēng)的作用下,火焰向火源下游傾斜和傳遞熱量,部分熱量耗散至周圍環(huán)境中。距火源中心越遠(yuǎn),耗散的熱量越多,因此火源下游氣體的溫升隨著與火源中心距離的增加而減小。火源下游船舶甲板近壁面長度微元dl的氣體向外界耗散的熱量可近似表示為

qCdl=-cpm′d(ΔT)

(2)

式中:q為微元dl耗散至環(huán)境中熱量的熱流密度(kW/m2);C為微元dl與周圍環(huán)境的接觸面周長(m);l為沿著風(fēng)向的長度(m);cp為定壓比熱容[kJ/(kg·K)];m′為經(jīng)過微元dl的質(zhì)量流量(kg/s);ΔT為甲板近壁面氣體溫度與初始溫度的差值(K)。

根據(jù)牛頓冷卻定律,微元dl與周圍環(huán)境之間熱傳遞的熱流密度可表示為

q=h·ΔT

(3)

式中:h為傳熱系數(shù)[kW/ (m2·K)]。

聯(lián)立式(2)和式(3),可得:

(4)

通過圖4可以看出:不同工況下,在達(dá)到階段②內(nèi)的溫升峰值點(diǎn)后,其下游的氣體溫度分布呈穩(wěn)定衰減的趨勢。故本文以階段②內(nèi)的溫升峰值點(diǎn)作為

起點(diǎn),分析溫升峰值點(diǎn)處下游氣體的溫度分布。將起點(diǎn)處(l=0)的溫升記為ΔTF,作為初始邊界條件代入式(4)可得:

(5)

式(5)即為溫升峰值點(diǎn)下游氣體的無量綱溫升分布函數(shù)。本文選取火源特征直徑D*作為參考長度,對(duì)火源中心距離進(jìn)行無量綱化處理,可得到無量綱距離與無量綱溫升的函數(shù)關(guān)系。結(jié)合初始邊界條件,溫升峰值點(diǎn)下游氣體無量綱溫升與無量綱距離的函數(shù)關(guān)系可表示為

(6)

不同風(fēng)速下溫升峰值點(diǎn)下游氣體無量綱溫升與無量綱距離之間的擬合曲線,如圖6所示。

圖6 溫升峰值點(diǎn)下游氣體無量綱溫升與無量綱距離之間關(guān)系的擬合曲線Fig.6 Fitting curves between dimensionless temperature rise and dimensionless distance of the downstream gas of the peak point

由圖6可以看出:模型可以很好地預(yù)測不同功率火源下游船舶甲板近壁面氣體無量綱溫升與無量綱距離之間的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié) 論

本文通過數(shù)值模擬研究了環(huán)境風(fēng)速和火源功率耦合作用下火源下游船舶甲板近壁面氣體溫度縱向分布特性,得到主要結(jié)論如下:

1) 無風(fēng)條件下,庚烷油池火源附近船舶甲板近壁面氣體溫度隨著與火源中心距離的增加而衰減。

2) 有風(fēng)條件下,火源下游船舶甲板近壁面氣體溫度分布可劃分為①～③區(qū)間。氣體溫度分布總體呈現(xiàn)上升—下降—上升—下降的趨勢。

3) 溫升峰值點(diǎn)下游氣體溫度隨著與火源距離的增加呈指數(shù)衰減趨勢;在此基礎(chǔ)上建立了火源下游氣體無量綱溫升與無量綱距離之間相關(guān)關(guān)系模型,模型預(yù)測結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比良好。

上述規(guī)律可為船舶的防火、火災(zāi)救援疏散等相關(guān)工作提供參考,如計(jì)算人員和設(shè)備的安全距離,確定消防資源的投入、疏散時(shí)間及方向等。