船舶高大空間火災(zāi)特性分析

王旭陽，張宏，鄧茹鳳，熊言義，胡洋

(中國船舶集團有限公司第七一三研究所 鄭州市特種場所火災(zāi)防護技術(shù)重點實驗室，鄭州 450015)

船舶火災(zāi)的危害主要體現(xiàn)在煙氣的高溫、毒害性，已有學者對船舶火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展及火災(zāi)防控進行了廣泛的研討。

在此前的研究成果基礎(chǔ)上，考慮對船舶高大空間在正常通風和關(guān)閉通風條件下進行火災(zāi)場景仿真，利用FDS分析不同通風條件下空間溫度場和煙氣分布規(guī)律，了解煙氣蔓延過程。

1 船舶高大空間火災(zāi)場景仿真

1.1 場景概述

船舶高大空間中布置有輔助設(shè)備，且含有燃料油，有發(fā)生火災(zāi)的隱患，因此定義該位置為火源。選取圖1火源位置發(fā)生RP5燃料油池火火災(zāi)為典型火災(zāi)場景。

圖1 火源位置示意

該高大空間中布置有送排風口，通風模式考慮低速送排風。火源功率取為9 MW，火源面積取4 m，考慮低速送排風及關(guān)閉通風兩種狀態(tài)，設(shè)置兩種仿真場景見表1。

表1 該高大空間火災(zāi)仿真場景

1.2 網(wǎng)格劃分

該空間由于尺寸較大，綜合考慮計算精度、計算機性能及計算時間，采用多重網(wǎng)格技術(shù)對計算域進行分區(qū)域網(wǎng)格劃分，火源附近使用精網(wǎng)格，遠離火源位置使用粗網(wǎng)格，對于考慮環(huán)境風的火災(zāi)場景，火源下風向適當加密，相鄰區(qū)域網(wǎng)格尺寸比為1∶2。

不同的火災(zāi)場景對網(wǎng)格尺寸的要求不同，通常使用無量綱表達式作為判斷計算流場準確度的標準，其中為最小網(wǎng)格尺寸，為火源特征尺寸，可通過下式計算。

(1)

式中：為總火源的功率，kW；為空氣的密度，kg/m；為空氣比熱，kJ/(kg·K)；為環(huán)境溫度，K；為重力加速度，9.81 m/s。

大氣環(huán)境條件為

=1.225 kg/m；

=1.005 kJ/(kg·K)；

=293 K；=9.81 m/s。

RP5單位面積熱釋放速率為=2 230 kW/ m，火源功率為9 MW。

火源特征尺寸=2.3 m。

綜合考慮計算精度及計算耗時，最小網(wǎng)格尺寸定義為0.25 m，此時=9.2。為了增加計算效率，網(wǎng)格仍然采用分區(qū)域網(wǎng)格劃分，模型中火源附近區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.25 m，其余區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.5 m，場景1、2仿真模型網(wǎng)格數(shù)量為155 520。

1.3 燃燒反應(yīng)定義

根據(jù)文獻[8]，航空煤油(RP5)主要由C10～C16飽和烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴以及烯烴等組成，由于航空煤油為復(fù)雜的混合物，仿真過程中難以完全準確描述其所有物質(zhì)的燃燒反應(yīng)，因此結(jié)合其平均分子量的大小，考慮采用其含量較高的CH為替代燃料，燃燒過程中涉及的燃燒熱等相關(guān)參數(shù)仍按航空煤油的物性參數(shù)設(shè)定。

1.4 火源參數(shù)設(shè)置

實際發(fā)生火災(zāi)時，火源情況非常復(fù)雜，為了便于計算機模擬，采用目前世界上最普遍使用的火災(zāi)模型對火源進行抽象及簡化處理。根據(jù)火災(zāi)增長系數(shù)的值，定義4種標準火災(zāi)：慢速火、中速火、快速火和超快速火，見表2。

表2 定義4種標準t2火災(zāi)類型

火災(zāi)模型的表示在增長階段火源功率和成正比，其二次方程如下。

=

(2)

式中：為火源功率，kW；為火災(zāi)增長系數(shù)，kW/s，根據(jù)火災(zāi)分級取值；為時間，s。

該高大空間中火源功率為9 MW，計算得到火源達到最大熱釋放速率所需時間為=219 s。仿真過程中火源熱釋放速率見圖2。

圖2 PR5噴氣燃料熱釋放速率

1.5 邊界條件設(shè)置

模型中邊界主要有送風口和排風口。為增加計算精度，考慮保證通風量不變，略微調(diào)整送風口模型尺寸，使模型中通風口邊界與網(wǎng)格邊界重合，模型區(qū)域送風時有兩臺風機，對應(yīng)送風口總尺寸為4 m×2 m，送風口邊界設(shè)置為送風邊界supply，風速通過排風機低速排風量與送風口面積的比值計算為2.43 m/s，建立兩個排風口，尺寸均為2 m×2 m，排風口設(shè)置為開放邊界open。模型中壁面均設(shè)置厚度為12 mm的鋼板。

1.6 溫度測點及剖面

為了獲取各時刻溫度場及特征點的數(shù)據(jù)，布置如圖6所示的熱電偶(溫度測點)。火源中心位置坐標為(111，19，0)，在火源上方分別沿、、3個方向布置熱電偶。其中：方向上熱電偶均布置在高度=4 m的平面內(nèi)，測點數(shù)量共7個分別為TX01～TX07，沿方向，在=80～140 m范圍內(nèi)每隔10 m布置1個；方向上，在高度為4 m的平面上布置5個溫度測點分別為TY01～TY05，沿方向，在=4～20 m范圍內(nèi)每隔4 m布置1個；高度方向上在火源中心位置上方=2～6 m范圍內(nèi)每隔2 m布置1個熱電偶，具體溫度測點布置見圖3。

圖3 溫度測點布置示意

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 正常通風時仿真結(jié)果分析

場景1火災(zāi)仿真中溫度測點結(jié)果見圖4，圖4a)為和方向典型測點溫度曲線，各測點布置在距火源中心的水平距離3～31 m范圍內(nèi)，這些測點的溫度可代表空間內(nèi)除火源附近區(qū)域外大部分位置的溫度。

可以看出，這些測點溫度變化趨勢基本一致，同一時刻溫度值相差不大，距火源中心水平距離3 m(TY04)與距火源31 m位置(TX01)溫度相差不超過20 ℃。此外，圖4a)中溫度曲線也代表了空間內(nèi)大部分區(qū)域的溫度變化過程，在火災(zāi)發(fā)生后175 s時間內(nèi)，空間內(nèi)大部分區(qū)域溫度受火災(zāi)影響較小，距離火源最近的測點TX04溫度上升至31 ℃，其余測點溫度均在25 ℃以下；而當時間超過175 s，在360 s之前時，空間內(nèi)溫度場受火災(zāi)影響明顯，各測點溫度急劇上升，均從室溫附近上升至64～80 ℃，溫升速率可達到0.3 ℃/s；之后空間內(nèi)溫升速率開始下降，各測點溫度隨著火災(zāi)發(fā)展而緩慢升高，20 min時空間內(nèi)溫度可達110 ℃左右。通過空間溫度場變化可得，175 s前空間內(nèi)除火源附近外的其他區(qū)域遭受的火災(zāi)危害性較小，火災(zāi)對空間內(nèi)其他設(shè)備人員造成的損害最小，因此該高大空間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后175 s前是滅火的最佳時機。

圖4b)為火源中心正上方不同高度位置溫度變化，可以看出有風條件下TZ01測點溫度波動較大，這也由于通風加劇火焰脈動，TZ01測點溫度脈動峰值可達到920 ℃，平均溫度約為600 ℃。火源中心正上方高度越高的位置，測點溫度越低，高度分別為4 m和6 m的TZ02、TZ03測點平均溫度可分別達到505 ℃和490 ℃。

圖4 測點溫度變化

發(fā)生火災(zāi)后該高大空間內(nèi)煙氣層高度隨時間的變化見圖5。由圖5可見，火災(zāi)發(fā)生后，燃燒產(chǎn)生煙氣快速上升至空間頂部，并在頂部聚集，隨著煙氣的聚集，煙氣層高度開始下降，大約450 s后煙氣層高度趨于穩(wěn)定，煙氣層高度穩(wěn)定在2.35 m左右。

圖5 該高大空間內(nèi)煙氣層高度

不同時刻該高大空間內(nèi)=19 m剖面的溫度見圖6。

圖6 不同時刻溫度云圖，Y=19 m

由圖6可見，隨著火災(zāi)發(fā)展，空間內(nèi)溫度持續(xù)升高，=60 s時，火災(zāi)處于發(fā)展初期，僅火源正上方區(qū)域有小幅溫升；=120 s時，火源正上方溫升明顯，高溫區(qū)域范圍擴大，但該高大空間內(nèi)其他區(qū)域溫度基本還維持在常溫，受火災(zāi)影響較?。?240 s時，空間頂部區(qū)域溫升明顯；=600 s時，該空間內(nèi)溫度整體上已經(jīng)有明顯上升，并且越靠近該高大空間頂部的區(qū)域溫度越高。另外受風速的影響，火源正上方高溫區(qū)域向排風口附近有一定程度偏移。

2.2 關(guān)閉通風時仿真結(jié)果分析

關(guān)閉通風時，空間處于密閉狀態(tài)，由于燃燒反應(yīng)消耗氧氣，當空間內(nèi)氧濃度降低到一定程度時，火焰逐漸減弱并熄滅。關(guān)閉通風時該高大空間內(nèi)火災(zāi)仿真結(jié)果見圖7。圖7a)為、方向上布置測點的溫度變化，這些測點的溫度變化趨勢基本可以反映該高大空間內(nèi)溫度變化過程；0～144 s時，空間內(nèi)溫度變化很小，除了距離火源中心3 m的TY04溫度上升至33 ℃左右，圖中其他測點位置溫度均不超過25 ℃；火災(zāi)發(fā)生144 s后，403 s前，空間內(nèi)溫度急劇上升，溫升速率可達到0.28～0.34 ℃/s，403 s時，TY04溫度上升至120 ℃，其余測點溫度上升至95 ℃左右；403 s后，空間內(nèi)溫升速率下降至約0.03 ℃/s，約為之前溫升的1/10，持續(xù)升溫至1 951 s時，由于火勢快速衰減，空間內(nèi)溫度開始下降，溫度下降速率約為0.12 ℃/s。相比于通風工況，該高大空間內(nèi)除火源附近外其他區(qū)域安全時間更短，這主要是由于通風時部分熱量從通風口溢出，而密閉條件下空間內(nèi)熱量更容易積累。因此，密閉條件下能在火災(zāi)發(fā)生后144 s內(nèi)投入滅火系統(tǒng)是減小火災(zāi)損失的重要措施。

圖7 測點溫度變化

圖7b)為火源正上方測點的溫度變化，可以看出，=219 s時火源熱釋放速率達到峰值，此時火焰溫度最高，火源正上方2 m位置的TZ01溫度峰值可達1 090 ℃，但由于氧氣的持續(xù)消耗，燃燒反應(yīng)速率減慢，火焰正上方開始小幅度持續(xù)降低，火源中心正上方高度為2 m的測點TZ01溫度在320 s后開始緩慢下降，TZ02和TZ03測點溫度也先上升后下降的趨勢，并且高度越高的位置，溫度開始下降的時間越滯后；1 951 s時，該高大空間內(nèi)溫度開始快速下降，2 075 s時火焰完全熄滅，火源正上方測點溫度直線下降，2 090 s后，火源正上方溫度下降至與該高大空間內(nèi)其他區(qū)域溫度接近，隨后開始緩慢下降。

相比于通風條件下，密閉條件下火災(zāi)會自發(fā)熄滅，并且火源達到最大熱釋放速率后，火焰火勢逐步減小，測點溫度持續(xù)下降，通風條件下，火源燃燒溫度基本維持穩(wěn)定，從火源的角度上看，密閉條件下火災(zāi)危害性小于通風條件下。然而密閉條件下，該高大空間內(nèi)熱量更容易積累，火源附近位置外的其他區(qū)域溫度基本不受火災(zāi)影響的時間縮短，且火源穩(wěn)定燃燒階段，密閉條件下該高大空間內(nèi)溫度略高于通風條件下，因此，從該高大空間內(nèi)溫度分布看，密閉條件下該高大空間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時的火災(zāi)危害性大于通風條件。

密閉條件下發(fā)生火災(zāi)后該高大空間內(nèi)煙氣層高度隨時間的變化見圖8。

圖8 該高大空間內(nèi)煙氣層高度

由圖8可見，火災(zāi)發(fā)生400 s時，煙氣基本充滿空間，煙氣層高度趨于穩(wěn)定，煙氣層高度穩(wěn)定在1.75 m左右，相比于通風條件下，密閉時空間內(nèi)煙氣層高度更低，煙氣危害性更大。

圖9為該高大空間內(nèi)距離火源11 m、高4 m位置處O體積分數(shù)的變化，可以看出，火災(zāi)發(fā)生后該高大空間內(nèi)氧氣體積分數(shù)持續(xù)下降，當氧體積分數(shù)下降至11.2%時，火焰完全熄滅，該高大空間內(nèi)氧體積分數(shù)不再下降。

圖9 該高大空間內(nèi)氧氣濃度的變化

不同時刻空間內(nèi)=19 m剖面溫度云圖見圖10。

圖10 不同時刻溫度云圖，Y=19 m

由圖10可見，隨著火災(zāi)的發(fā)展，該高大空間內(nèi)溫度持續(xù)升高，=120 s時，火源正上方溫升明顯，該高大空間內(nèi)其他區(qū)域溫度基本還維持在常溫，受火災(zāi)影響較??；=600 s時，空間內(nèi)溫度已經(jīng)有明顯程度的上升，且靠近火源頂部的區(qū)域溫度較高，這主要是高溫煙氣在頂部聚集的緣故；=2 000 s時，火焰衰減明顯，火源正上方溫度較之前有明顯下降，但仍明顯高于火源周圍溫度；=2 075 s時，火焰已完全熄滅，火源正上方溫度快速下降至接近空間內(nèi)其他區(qū)域溫度。

3 結(jié)論

1)發(fā)生火災(zāi)后，通風條件下除火源附近外的其他區(qū)域溫度場變化均經(jīng)歷維持常溫階段、快速溫升階段和持續(xù)緩慢溫升階段；而關(guān)閉通風時該高大空間內(nèi)溫度場還存在一個衰減階段。

2)通風時，投入最佳滅火時間為火災(zāi)發(fā)生后175 s，關(guān)閉通風時，投入最佳滅火時間為火災(zāi)發(fā)生后144 s。

3)在溫升階段，關(guān)閉通風時該高大空間內(nèi)溫升更快，快速溫升和持續(xù)緩慢溫升階段溫升速率分別達到0.34 ℃/s與0.03 ℃/s，而通風條件下這兩個溫升速率僅為0.3 ℃/s和0.013 ℃/s。

4)通風時，該高大空間內(nèi)煙氣層的高度為2.35 m，而關(guān)閉通風時該高大空間內(nèi)煙氣層高度下降至1.75 m，關(guān)閉通風時煙氣危害性較大。

5)關(guān)閉通風時該空間溫度場受火災(zāi)影響更明顯，火災(zāi)危害性更大。