載人航天器密封艙內(nèi)強(qiáng)制通風(fēng)下的火災(zāi)溫度場(chǎng)及流場(chǎng)特性仿真分析

谷運(yùn)雙，霍巖

（哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引言

載人航天器內(nèi)布置有各種電氣設(shè)備，存在設(shè)備故障或人為誤操作引起火災(zāi)的可能性，加之其空間狹小、救援困難和消防資源有限，使得火災(zāi)成為危及航天器和航天員安全的潛在風(fēng)險(xiǎn)之一[1-3]。航天器艙室屬于微重力（10-3g～10-6g）水平下的密閉空間，需要強(qiáng)制通風(fēng)。在這種微重力和強(qiáng)迫對(duì)流的特殊環(huán)境下發(fā)生火災(zāi)，艙內(nèi)的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)特性與常重力環(huán)境下存在很大的差異。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)載人航天器內(nèi)的火災(zāi)流場(chǎng)分布、探測(cè)器布置和選擇等進(jìn)行了諸多研究。趙建賀等[4]采用FDS（FireDynamicsSimulator）軟件對(duì)頂面45°斜送風(fēng)、前錐面?zhèn)让嫠惋L(fēng)及后錐面回風(fēng)的情況進(jìn)行研究，得到不同場(chǎng)景下的煙氣溫度、濃度分布規(guī)律；胡海兵等[1]利用FLUENT 軟件考察微重力環(huán)境下強(qiáng)制通風(fēng)艙室內(nèi)火災(zāi)煙霧濃度分布情況；Urban 等[5]通過在未載人航天器上的實(shí)驗(yàn)研究微重力條件下發(fā)生火災(zāi)時(shí)火焰的蔓延情況；Wichman 等[6]研究微小火焰在微重力條件下的探測(cè)裝置；Rygh[7]描述火災(zāi)行為和火災(zāi)抑制劑在微重力條件下的流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，為研制載人航天器火災(zāi)探測(cè)與抑制系統(tǒng)提供依據(jù)。尹凱路等[8]針對(duì)45°送風(fēng)條件下雙火源在不同位置發(fā)生火災(zāi)時(shí)艙室內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行分析。但迄今為止，研究人員對(duì)于不同送風(fēng)角度下的微重力火災(zāi)比較研究鮮有報(bào)道。

本文擬根據(jù)程勇等[9]在常重力條件下研究的不同送風(fēng)角度將顯著影響室內(nèi)空氣速度和溫度分布的研究結(jié)果，探索在微重力條件下不同送風(fēng)角度對(duì)火災(zāi)流場(chǎng)分布的影響。以載人航天密封艙為研究對(duì)象，模擬微重力條件（10-5g），采用FDS軟件[9]對(duì)艙內(nèi)3種送風(fēng)角度（θ=0°、θ=45°、θ=60°）下的火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)值模擬，分析火災(zāi)流場(chǎng)內(nèi)溫度和煙氣濃度的分布規(guī)律，以期為密封艙內(nèi)送風(fēng)口和火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)置提供參考。

1 模型介紹

1.1 火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬程序（FDS）

FDS是比較成熟的計(jì)算流體仿真軟件，在模擬火災(zāi)發(fā)展、煙氣蔓延和消防滅火方面具有較高的準(zhǔn)確性，在火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，結(jié)果也得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛驗(yàn)證[10]。FDS軟件具有開放的程序體系結(jié)構(gòu)，良好的后續(xù)處理能力，本文擬在FDS程序源代碼基礎(chǔ)上開展微重力條件下對(duì)火災(zāi)溫度和煙氣分布場(chǎng)的模擬研究。

1.2 結(jié)構(gòu)模型和參數(shù)設(shè)置

本文選取某典型的密封艙[1]作為模擬艙，并對(duì)其進(jìn)行修改和簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示，尺寸為4m×2m×2 m。為保證計(jì)算結(jié)果的精度并合理節(jié)約計(jì)算時(shí)間，參照FDS用戶使用手冊(cè)[11]，將單個(gè)網(wǎng)格尺寸定為0.04m×0.02m×0.02 m，共計(jì)106個(gè)網(wǎng)格，計(jì)算時(shí)間設(shè)定為200s。密封艙內(nèi)的12個(gè)送風(fēng)口設(shè)置在艙頂，關(guān)于x向中心線呈對(duì)稱布置，風(fēng)口尺寸0.2 m×0.2m；回風(fēng)口設(shè)置在艙底，與送風(fēng)口位置對(duì)應(yīng)，數(shù)量、尺寸同送風(fēng)口一致。

航天器內(nèi)氧氣再生系統(tǒng)產(chǎn)生的高濃度氧氣環(huán)境和大量使用的電氣設(shè)備為火災(zāi)的發(fā)生提供了條件[12-15]。本文模擬計(jì)算設(shè)置火源為0.2 m×0.2 m，位于密封艙底面中心，火源功率為20 kW[4]。

1.3 送風(fēng)角度設(shè)置

載人航天器內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，乘員艙作為航天員在空間生活和工作的主要場(chǎng)所，內(nèi)部完全封閉[16]。為保證航天員生活的舒適性，規(guī)定艙內(nèi)風(fēng)速為0.2～0.8m/s[1,17]。本文設(shè)置了3種不同角度的送風(fēng)口，與豎直側(cè)壁的夾角θ分別為0°、45°、60°，用粒子示蹤圖顯示初始時(shí)刻不同的送風(fēng)角度，如圖2所示。

圖2 初始時(shí)刻不同送風(fēng)角度粒子示蹤圖Fig.2Traceof particle at theinitial time for different ventilation angles

2 仿真分析

基于FDS軟件平臺(tái)，利用大渦模擬（LES）技術(shù)對(duì)各工況進(jìn)行數(shù)值模擬。載人航天密封艙消防規(guī)范要求火災(zāi)探測(cè)器應(yīng)在火災(zāi)發(fā)生后1～2 min 內(nèi)報(bào)警，因此本文選取火災(zāi)發(fā)生后90s的溫度和煙氣濃度數(shù)據(jù)，分析3種送風(fēng)角度情況下艙內(nèi)溫度和煙氣濃度分布規(guī)律。

2.1 溫度分布規(guī)律分析

圖3是密封艙內(nèi)3種送風(fēng)角度下在90s時(shí)刻的溫度分布云圖。考慮火源中心在x=2.0m 處，而重點(diǎn)分析對(duì)象是火源附近的溫度分布，故選取x=2.0 m 截面分析溫度分布規(guī)律。

從圖3可以看出：當(dāng)送風(fēng)角度θ=0°時(shí)，高溫區(qū)域在火源上部分布范圍較廣，除了集中在火源兩側(cè)的高溫區(qū)域，在火源上方0～1m 的范圍內(nèi)溫度也較高；送風(fēng)角度θ=45°、θ=60°時(shí)，高溫區(qū)域集中在艙室的底部，在火源上方0.5m 以下橫向分布。不同送風(fēng)角度下溫度分布不同的原因主要是由于艙室內(nèi)速度流場(chǎng)分布不同，圖4是3種送風(fēng)角度下同一截面的速度矢量圖，從圖中可以看出：送風(fēng)角度θ=0°時(shí)，氣流直接向下運(yùn)動(dòng)，之后一部分從排風(fēng)口排出，一部分接觸艙底后又向上運(yùn)動(dòng)，在y=1m的兩側(cè)形成旋渦，因此高溫區(qū)域集中在火源上部；送風(fēng)角度θ=45°、θ=60°時(shí)，兩股送風(fēng)氣流匯合后向下運(yùn)動(dòng)，接觸艙底之后主要聚集在艙室底部，部分從兩側(cè)向上運(yùn)動(dòng)，因此高溫區(qū)域集中在艙室底部，但θ=60°時(shí)的氣流匯合位置比θ=45°時(shí)高。

圖3 90 s時(shí)刻x=2.0m 截面的溫度分布云圖Fig.3 Temperaturedistributions on x=2.0 m crosssection after 90s

圖4 x=2.0m 截面的速度矢量圖Fig.4Speed vectorgaph on x=2.0 m crosssection

圖5是在火源上方0.1m 處溫度在橫向長(zhǎng)度方向上的分布，可以看到不同送風(fēng)角度下溫度在橫向長(zhǎng)度方向上呈M型分布。由于通風(fēng)加劇了火源表面對(duì)流，所以火源邊緣處溫度最高，即在火源兩側(cè)形成2個(gè)溫度峰值，火源正上方的溫度反而較低，這說明應(yīng)在大功率設(shè)備的兩側(cè)布置火災(zāi)探測(cè)器。圖6是不同送風(fēng)角度下火源兩側(cè)平均峰值溫度的比較，當(dāng)送風(fēng)角度θ=45°時(shí)，所形成的M型曲線的平均峰值溫度最高，達(dá)到772℃；送風(fēng)角度θ=0°時(shí)，曲線的平均峰值溫度居中，為596℃；當(dāng)送風(fēng)角度θ=60°時(shí)，曲線的平均峰值溫度最低，為500℃。

圖5 火源上方0.1m 處溫度在橫向長(zhǎng)度方向上的分布Fig.5 Temperature distributionsat 0.1m above the fire sourcein the lateral length direction

圖6 不同送風(fēng)角度下火源兩側(cè)平均峰值溫度Fig.6Averagepeak temperature on both sidesof the fire sourcefor different ventilation angles

圖7是火源上方溫度在縱向高度方向上的變化，從圖中可以看出：送風(fēng)角度θ=0°時(shí)，在整個(gè)縱向高度上溫度值跳動(dòng)較大而且高溫峰值出現(xiàn)的頻次較高；當(dāng)送風(fēng)角度θ=45°時(shí)，只在火源上方高度H=0.1m 處有一個(gè)溫度峰值，在H=0.2m 之后隨著高度H的增加，溫度始終維持在50℃左右，因此需在火源上方0.1m 處布置感溫探測(cè)器；當(dāng)送風(fēng)角度θ=60°時(shí)，在H=0.5m 之前溫度波動(dòng)較大，在H=0.6m 之后隨著高度H的增加，溫度始終維持在50℃左右。圖8是溫度峰值在縱向高度方向上出現(xiàn)的頻次，當(dāng)送風(fēng)角度θ=0°、45°、60°時(shí)，溫度峰值的次數(shù)分別為5、1、3，說明θ=0°時(shí)需要布置更多的火災(zāi)探測(cè)器，θ=45°時(shí)可以布置較少的火災(zāi)探測(cè)器。

圖7 溫度在縱向高度方向上的變化Fig.7Temperaturechanges in thelongitudinal height direction

圖8 溫度峰值在縱向高度方向上出現(xiàn)的頻次Fig.8 The frequency of temperature peakin the long itudinal height direction

2.2 煙氣密度分布規(guī)律分析

圖9是不同送風(fēng)角度下90s時(shí)刻煙氣密度分布云圖，和溫度分布一樣，選取x=2.0m 截面分析，發(fā)現(xiàn)煙氣密度在0.5～6.5g/m3范圍內(nèi)。

圖9 90 s時(shí)刻x=2.0m 截面煙氣密度分布云圖Fig.9Smokedensity distribution on x=2.0m crosssection after 90s

對(duì)比圖9和圖3可以發(fā)現(xiàn)，煙氣密度的分布和溫度分布相似，這是由于高溫?zé)煔饬鲃?dòng)時(shí)必然攜帶熱量一起流動(dòng)。由圖9可見：送風(fēng)角度θ=0°時(shí)煙氣分布在頂棚和兩側(cè)，距離送風(fēng)口較遠(yuǎn)，整個(gè)艙室內(nèi)的煙氣密度都偏高，說明此時(shí)不利于煙氣排出；送風(fēng)角度θ=45°、θ=60°時(shí)，煙氣密度分布較為均勻，艙室底部和側(cè)邊的煙氣密度較高，說明煙氣主要分布在艙底和側(cè)邊。

圖10是密封艙內(nèi)平均煙氣密度隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出：當(dāng)送風(fēng)角度θ=0°時(shí)，煙氣密度上升速率較快，平均煙氣密度始終高于其他2種送風(fēng)角度下的煙氣密度。艙室內(nèi)平均煙氣密度較高說明煙氣排出困難，反之則說明煙氣排出較快。

圖10 密封艙內(nèi)平均煙氣密度隨時(shí)間的變化Fig.10 Averagesmokedensityagainst thetimeinthesealed cabin

3 結(jié)論

本文通過對(duì)航天器密封艙內(nèi)存在強(qiáng)制通風(fēng)并發(fā)生火災(zāi)時(shí)，3種送風(fēng)角度下溫度場(chǎng)和煙氣密度的數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

1）送風(fēng)角度θ=0°時(shí)，高溫區(qū)域范圍廣，需要在大功率設(shè)備上方0～1m 處布置火災(zāi)探測(cè)器；送風(fēng)角度θ=45°、θ=60°時(shí)，高溫區(qū)域范圍相對(duì)較小，需要在大功率設(shè)備上方0～0.5m 處布置火災(zāi)探測(cè)器。

2）火源上方溫度在橫向長(zhǎng)度方向上呈M型分布，即在火源兩側(cè)形成2個(gè)溫度峰值，故應(yīng)在大功率設(shè)備附近的兩側(cè)布置火災(zāi)探測(cè)器；不同送風(fēng)角度下溫度在縱向高度方向上變化較大，θ=0°時(shí)需要在大功率設(shè)備上方布置更多的火災(zāi)探測(cè)器，θ=45°時(shí)可布置較少的火災(zāi)探測(cè)器。

3）煙氣密度分布規(guī)律和溫度分布規(guī)律相似。送風(fēng)角度θ=0°時(shí)密封艙內(nèi)平均煙氣密度始保持正增長(zhǎng)趨勢(shì)，煙氣密度較高且不易排出；送風(fēng)角度θ=45°、θ=60°時(shí)密封艙內(nèi)的平均煙氣密度有停止增長(zhǎng)趨勢(shì)，此時(shí)密封艙內(nèi)的煙氣更容易排出。

本文研究結(jié)果可為航天器密封艙內(nèi)送風(fēng)口和火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)置提供參考。