船舶機(jī)艙存儲區(qū)域火災(zāi)燃燒特性的仿真分析

黃峙，鄧飛云

(1.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；2.海軍裝備部駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913)

存儲區(qū)域火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展過程復(fù)雜，受到多種因素的制約和影響，火源功率的大小、通風(fēng)狀況、開口位置及空間大小等都會對火災(zāi)場景產(chǎn)生影響。

關(guān)于實(shí)船舶艙室火災(zāi)事故面臨的技術(shù)問題，目前的研究主要集中于船舶艙室內(nèi)單一有無開口對煙氣層溫度和煙氣層高度的影響，未結(jié)合現(xiàn)實(shí)船舶艙室場景考慮艙室開口數(shù)量的影響；同時，亦未能對不同火源功率下煙氣蔓延發(fā)展參數(shù)(煙氣層溫度、空氣層溫度、煙氣層高度、氧氣濃度等)進(jìn)行綜合分析。

為此?；贑FAST仿真模型對船舶機(jī)艙存儲區(qū)域進(jìn)行系列模擬，分析不同火源功率與開口數(shù)量耦合影響下船舶艙室內(nèi)的煙氣層溫度、煙氣層高度、空氣層溫度等關(guān)鍵參數(shù)的特性演化規(guī)律。

1 模型建立及工況設(shè)計(jì)

鑒于船舶艙室種類、危險源復(fù)雜，以船舶機(jī)艙中某典型場景——存儲區(qū)域作為分析對象，采用CFAST軟件構(gòu)建存儲區(qū)域數(shù)值分析模型。區(qū)域尺寸(長×寬×高)為12.3 m×10.3 m×2.6 m。初始火災(zāi)場景不加滅火措施干預(yù)。由于CFAST在建立曲面墻模型時存在不足，且該曲面對本次模擬結(jié)果的影響較小，因此在本模擬中以平面墻代替曲面墻。區(qū)域的CFAST模型見圖1。

圖1 存儲區(qū)域CFAST模型尺寸示意

為研究火災(zāi)時存儲區(qū)域內(nèi)煙氣蔓延規(guī)律和特性，將區(qū)域劃分為7個空間，空間1～6為艙室，艙室面積均較小，空間7為走廊，見圖2。

圖2 存儲區(qū)域空間劃分示意

選定艙室1，長×寬×高為4 m×4 m×2.6 m。同時，艙室1～6在靠走廊側(cè)墻壁的中心均設(shè)置1 m×2 m的門，實(shí)現(xiàn)與走廊直接連通。研究區(qū)域形狀、開口的CFAST模型見圖3。

圖3 劃分后存儲區(qū)域的CFAST模型

考慮到研究區(qū)域?yàn)榇鎯^(qū)域，假定其中儲存物是燃油，在CFAST中將可燃物定義為正庚烷(CH)，將初始氧氣體積分?jǐn)?shù)設(shè)為20.5%，低氧極限設(shè)定為15%，初始煙氣層溫度、空氣層溫度均設(shè)定為20 ℃。艙室1壓力設(shè)置為1 kPa。

考慮到不同功率對存儲區(qū)域火災(zāi)燃燒特性的影響，采用300、500、700、900 kW 4種火源功率，以反映不同的火災(zāi)規(guī)模。并根據(jù)不同開口數(shù)量和火源功率的排列組合，構(gòu)建仿真工況見表1。表中艙室1用A1表示。著火區(qū)域是指區(qū)域中發(fā)生火災(zāi)時火源的位置。開口數(shù)量是指區(qū)域中處于敞開狀態(tài)的門的數(shù)量。

表1 著火區(qū)域A1工況樣例表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同火源功率下存儲區(qū)域火災(zāi)燃燒特性

2.1.1 火源功率對煙氣溫度的影響

工況1、3、4、5，即不同火源功率下的煙氣層溫度隨時間的變化見圖4。

圖4 不同火源功率起火艙室的煙氣層溫度變化

由圖4可以看出，不同火源功率下的煙氣層溫度均經(jīng)歷了先上升后迅速下降的階段?；鹪垂β试酱螅瑹煔鈱訙囟确逯翟酱?，出現(xiàn)下降趨勢的時間越早。煙氣層溫度下降可能與艙室內(nèi)的氧氣含量不足有關(guān)，研究中設(shè)定當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)低于15%時，燃燒受到抑制并迅速熄滅，之后無熱煙補(bǔ)充，從而導(dǎo)致煙氣層溫度的下降。同時在有開口的條件下，起火艙室的煙氣會通過開口向其他艙室蔓延，導(dǎo)致煙氣層溫度進(jìn)一步下降。

相同工況下起火艙室內(nèi)氧氣含量和實(shí)際火源功率變化見圖5、6。

圖5 不同火源功率起火艙室的氧氣含量變化

由圖5可知，艙室內(nèi)氧氣含量的下降速度與火源功率呈正相關(guān)，即火源功率越大，氧氣消耗越快。不同火源功率下(按900 kW依次遞減)，氧氣體積分?jǐn)?shù)下降至15%的時間分別為315、330、375、480 s，與不同火源功率下煙氣層溫度突然降低的時間節(jié)點(diǎn)十分接近。這是因?yàn)楫?dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)降至15%時，燃燒受到抑制并迅速熄滅，從而煙氣層溫度突然降低。當(dāng)火源功率越大時，氧氣體積分?jǐn)?shù)降至15%的時間越短，煙氣層溫度出現(xiàn)下降趨勢的時間也越早。

由圖6可知，在0～300 s內(nèi)，各工況下的火源功率均先上升，在300 s時分別達(dá)到最大值，之后進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段。但由于不同火源功率下氧氣濃度下降至15%的時間不同，不同火源功率穩(wěn)定燃燒時間段也各不相同。

圖6 不同火源功率起火艙室的實(shí)際火源功率變化

分析可知：①相同條件下，火源功率越大，煙氣層溫度上升越快，煙氣層的溫度峰值也越大，出現(xiàn)下降趨勢的時間越早；②相同條件下，火源功率越大，氧耗越迅速。在不施加干預(yù)情況下，火源功率越大熄滅時間越早。

2.1.2 火源功率對空氣層溫度的影響

前述工況，不同火源功率下的空氣層溫度變化見圖7。

圖7 不同火源功率起火艙室的空氣層溫度變化

由圖7可知，不同火源功率下空氣層溫度的整體規(guī)律性表現(xiàn)與不同火源功率對煙氣層溫度的影響相似。相同條件下火源功率與艙室內(nèi)的空氣層溫度呈正相關(guān)，即火源功率越大，空氣層溫度越高，出現(xiàn)下降點(diǎn)的時間越靠前。這與氧氣濃度下降導(dǎo)致火源熄滅有關(guān)。

2.1.3 火源功率對煙氣層高度的影響

前述工況，不同火源功率下的煙氣層高度變化見圖8。

圖8 不同火源功率起火艙室的煙氣層高度變化

由圖8可見，相同條件下火源功率越大，煙氣層的厚度越大，即離地高度越小。不同火源功率下的煙氣層高度變化趨勢基本相同。在火災(zāi)發(fā)展初期，火源功率逐漸增大，煙氣不斷向艙室頂部蔓延形成煙氣層，煙氣層厚度逐漸增大。當(dāng)300 s時刻，達(dá)到最大火源功率時，煙氣層高度也達(dá)到最小值，即此時離地面最近。而后由于火源熄滅，不再有煙氣補(bǔ)充，存在開口時部分煙氣還會擴(kuò)散至其他艙室，引起艙室內(nèi)煙氣層變薄，煙氣層高度增大。

2.2 不同開口數(shù)量下存儲區(qū)域火災(zāi)燃燒特性

2.2.1 開口數(shù)量對煙氣層溫度的影響

工況1、2、6、7、8、9、10同一著火區(qū)域和相同的火源功率，300 kW，不同開口數(shù)量下的煙氣層溫度變化見圖9。

圖9 不同開口數(shù)量起火艙室的煙氣層溫度變化

由圖9可以看出，在無開口與外界相通時，煙氣層峰值溫度明顯較其他情況下的峰值溫度高，同時也最早達(dá)到峰值溫度。這是因?yàn)樵跓o開口時，煙氣沒有開口供其流出蔓延，只能積聚在起火艙室。而在有開口時，煙氣會通過開口逸出并蔓延至其他艙室，外界空氣也會通過開口進(jìn)入，從而煙氣層的溫度較低，并且達(dá)到溫度峰值的時間也較長。

在有開口的條件下，隨著開口數(shù)量的增加，煙氣層峰值溫度越小，這說明增加開口數(shù)量有助于降低煙氣層溫度，但存在臨界值即2個開口，繼續(xù)增加開口對煙氣層溫度影響較小。

同時可以看出，無開口時煙氣層溫度達(dá)到峰值后隨即下降；存在開口條件下，煙氣層溫度達(dá)到一定高度的峰值后將持續(xù)略微上升或保持一段時間，且開口數(shù)量越多，持續(xù)時間越長。這與艙室內(nèi)的氧氣含量有關(guān)。在有開口時，外界的空氣會通過開口向起火艙室流通，補(bǔ)充氧氣，從而繼續(xù)燃燒產(chǎn)生煙氣。隨著開口數(shù)量的增加，氧氣補(bǔ)充也越充足，燃燒持續(xù)時間也越長。無開口時，無外界氧氣補(bǔ)充，在氧氣下降至15%時燃燒就會受到抑制而熄滅，從而使煙氣層在達(dá)到峰值后迅速下降。

上述工況氧氣濃度和實(shí)際火源功率隨模擬時間的變化對比見圖10、11。

圖10 不同開口數(shù)量起火艙室的氧氣濃度變化

關(guān)于圖10和圖11的說明：存在開口時，艙室內(nèi)的煙氣層高度最低為0.76 m，即火源仍然處于空氣層，其所處環(huán)境的氧氣濃度應(yīng)以空氣層氧氣濃度為例。而無開口條件下，煙氣最終會充滿整個起火艙室，火源位于煙氣層中，因此其周圍環(huán)境氧氣濃度應(yīng)以煙氣層氧氣濃度為準(zhǔn)。

圖11 不同開口數(shù)量起火艙室的實(shí)際火源功率變化

由圖10可知：有無開口起火艙室內(nèi)的氧氣含量均會下降，但下降速率存在差異。無開口時氧氣濃度下降速率最快，存在開口時氧氣體積分?jǐn)?shù)下降速率比無開口時下降速率要慢，增加開口時下降速率逐漸變緩。在無開口時，無外界氧氣的補(bǔ)充。而在有開口時，外界的空氣會通過開口向起火艙室流通，從而補(bǔ)充氧氣，而隨著開口數(shù)量的增加，氧氣補(bǔ)充也越充足，其下降速率越慢。

并且在不同的開口條件下，起火艙室實(shí)際火源功率均在300 s時刻達(dá)到指定的峰值，之后進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段。隨著開口數(shù)量的增加，穩(wěn)定燃燒時間也越長，這說明增加開口能有效地延長穩(wěn)定燃燒段。這是因?yàn)椴煌_口數(shù)量情況下氧氣體積分?jǐn)?shù)下降至15%的時間不同。

2.2.2 開口數(shù)量對空氣層溫度的影響

上述工況下同一著火區(qū)域和相同的火源功率，300 kW，不同開口數(shù)量下的空氣層溫度見圖12。

圖12 不同開口數(shù)量起火艙室的空氣層溫度變化

由圖12可以看出，無開口時空氣層溫度上升速度較快，溫度峰值小于存在開口時的空氣層溫度。

這是因?yàn)樵跓o開口時隨著火災(zāi)的發(fā)展，煙氣層迅速變厚，空氣層變薄，在330 s時刻基本已充滿整個艙室，空氣層溫度上升較快。故在火災(zāi)發(fā)生后的225 s前，相同時刻無開口條件下的空氣層溫度要高于其他開口條件。在345 s左右，空氣層溫度達(dá)到最大值55.3 ℃。此后無開口條件下的火源熄滅，空氣層逐漸冷卻。

在有開口的條件下，隨著開口數(shù)量的增加，空氣層的溫度峰值降低，空氣層溫度上升的速度變慢，這是因?yàn)殡S著開口數(shù)量的增加，熱煙氣通過開口流出得越多，冷空氣通過開口進(jìn)入艙內(nèi)也越多，從而使空氣層溫度峰值降低，上升速度變慢。

2.2.3 開口數(shù)量對煙氣層高度的影響

上述工況下，同一著火區(qū)域、300 kW的火源功率和不同開口數(shù)量下的煙氣層高度變化見圖13。

圖13 不同開口數(shù)量起火艙室的煙氣層高度變化

由圖13可見，無開口時火災(zāi)發(fā)生后330 s左右，煙氣層高度基本為0 m，這是由于煙氣沒有開口供其流出蔓延，只能積聚在起火艙室內(nèi)，導(dǎo)致煙氣層向地面下沉的速度最快。

而當(dāng)開口存在時，不同開口數(shù)量下的煙氣層高度基本在300 s左右達(dá)到最小值。隨后經(jīng)略微上升，保持穩(wěn)定狀態(tài)，接著煙氣層高度在極短時間內(nèi)迅速增大，最終均達(dá)到同一穩(wěn)定值，約為2 m。這是因?yàn)樵黾娱_口后，煙氣可通過開口流出并蔓延至其他艙室，同時其他艙室的空氣亦會通過開口向起火艙室流通，使得艙室內(nèi)的氧氣得以補(bǔ)充，能夠繼續(xù)燃燒產(chǎn)生煙氣。在穩(wěn)定狀態(tài)時，煙氣產(chǎn)生量與煙氣蔓延量基本一致。當(dāng)起火艙室內(nèi)火源熄滅并不再產(chǎn)生煙氣后，由于起火艙室與其他艙室的壓差，起火艙室中的煙氣會通過開口向其他艙室急速蔓延，導(dǎo)致起火艙室內(nèi)的極短時間內(nèi)迅速增大。當(dāng)內(nèi)外壓差相同時，煙氣層不再蔓延，煙氣層高度達(dá)到穩(wěn)定值。

并且可以看出，隨著開口數(shù)量的增加，起火艙室內(nèi)的煙氣層高度增加，使得艙室內(nèi)的煙氣層變薄，同時穩(wěn)定狀態(tài)時間變長。因?yàn)樵黾娱_口數(shù)量后，煙氣逸出較多，煙氣層厚度減小，從而使煙氣層高度增加。

3 結(jié)論

1)火源功率對煙氣層溫度影響較大，隨著火源功率的增加，煙氣層溫度上升速率越快，煙氣層峰值溫度越大，人員逃生時間越短。

2)在封閉狀態(tài)下，特別是小尺寸艙室，發(fā)生火災(zāi)后，由于氧氣不充足導(dǎo)致起火后一定時間內(nèi)自然熄滅。因此在實(shí)際消防工作中，針對這類艙室，若可預(yù)見后果在承受范圍內(nèi)，可以考慮封艙滅火。

3)無開口時的煙氣層峰值溫度和煙氣層厚度均大于有開口時的情況，即在無開口時煙氣積累較多，在這種情況下，為保障人員安全，應(yīng)采用排煙系統(tǒng)，消防人員在開展封閉空間滅火救援工作時應(yīng)做好防護(hù)。

4)在存在開口的情況下，增加開口數(shù)量能夠有效降低空氣層的峰值溫度，能夠減慢空氣層溫度的上升速度。故而在船舶設(shè)計(jì)時，可適當(dāng)在合理的位置增加門窗。