孫世芳,秦光耀,劉 波

(浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶工程學(xué)院,浙江 舟山 316021)

機艙內(nèi)的速度場是指艙內(nèi)空氣流動的方向和速度大小。機艙是放置船舶動力及輔助機械和輪機人員進行管理的場所,機艙中的溫度、濕度、以及油氣等有害氣體的含量構(gòu)成了機艙的環(huán)境條件,空氣中的粉塵、有害氣體及高溫高濕等都會損害人體的健康,所以機艙內(nèi)速度場對機械設(shè)備的布置和人員的影響很大。

艙內(nèi)的柴油機、輔助鍋爐等設(shè)備在正常工作期間向周圍環(huán)境放出一定的熱量;船用發(fā)電機組吸收機艙內(nèi)的空氣,一些特殊部位的油氣蒸發(fā)會使艙內(nèi)空氣含有可燃氣體和有害氣體。由于環(huán)境狀況的變化影響柴油機氣缸內(nèi)的實際空氣量,機艙內(nèi)的氣壓、溫度、濕度都會發(fā)生變化,進入氣缸的空氣量就會不同,從而影響柴油機的工況[1],由此可見,船舶機艙內(nèi)的整體環(huán)境是非常復(fù)雜的。

對機艙內(nèi)的速度場進行模擬分析,有助于提高機艙內(nèi)的安全性和機械通風(fēng)效果,改善機艙內(nèi)空氣流動,避免在艙內(nèi)形成通風(fēng)死角。用良好的氣流組織向機艙內(nèi)注入足夠的新鮮空氣以保證機艙內(nèi)設(shè)備的正常工作,同時帶走機艙內(nèi)多余的熱量建立并維持機艙內(nèi)適宜的環(huán)境條件顯得相當(dāng)重要[2]。本文運用FDS軟件,采用大渦模擬的方法對全回轉(zhuǎn)拖船機艙內(nèi)的速度場進行數(shù)值模擬,分析速度場并對其作出相應(yīng)的科學(xué)解釋,為機艙速度場分析和機艙設(shè)計提供參考。

1 模型的建立

1.1 機艙物理模型的建立

本文以某全回轉(zhuǎn)拖船作為模擬對象,研究其機艙內(nèi)速度場分布。該拖船艙內(nèi)的設(shè)備繁多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則,因此要想精確模擬真實的機艙環(huán)境以得出速度場分布,就目前計算機的計算能力和技術(shù)方面來講,要完整的計算無法實現(xiàn)[3]。因此要對機艙內(nèi)的設(shè)備進行簡化,簡化后的機艙總體尺寸和艙內(nèi)設(shè)備的布置見圖1。

1.2 計算邊界條件及火源的處理[4-5]

本文的邊界條件主要為艙室壁面的物理性質(zhì)及通風(fēng)口氣體的性質(zhì)。根據(jù)圖1艙室的結(jié)構(gòu)圖,設(shè)定設(shè)備相應(yīng)的參數(shù)：機艙內(nèi)兩臺柴油機。在甲板的上部的兩個通風(fēng)口,機艙風(fēng)機的面積分別為0.6×0.5m2,0.4×0.7m2,風(fēng)速分別為4m/s,4.5m/s;主機附近的進氣口面積為0.4×0.7m2,風(fēng)速為5m/s;在右側(cè)甲板上的艙門的面積為0.7×1.6m2,模擬的初始室溫為30℃。

圖1 船舶機艙在FDS中的結(jié)構(gòu)圖(俯視圖)

選擇油池火作為一火源點,假設(shè)在一定的時間后,柴油經(jīng)油管泄露后在兩主機中間的甲板上形成一直徑為1m、厚0.02m的油池,考慮到計算的方便,將其轉(zhuǎn)化成1×1×0.02m3的立方體油池,其最大熱釋放速率為：

式中：Q為化學(xué)熱釋放速率;m″為每單位表面積的質(zhì)量燃燒速率;m″∞為大型油池火災(zāi)漸進質(zhì)量燃燒率;k′為有效吸收系數(shù);Δ Hc為燃燒熱;xchem為燃燒效率;D為油池的直徑。因此由 (1)式可計算該油池的最大熱釋放速率為Q=5744kW。

2 火源情形下速度場分析

設(shè)定的火源在兩主機中間的地面上,同時對火源的熱釋放速率進行了簡化,并設(shè)為定值HRRPUA=800 kJ/(m2?s),在艙門開啟的情形下,測量速度、速度矢量及氧氣含量。

2.1 速度圖分析

從高度Z=0.3m、Z=3m和Z=5.5m三個平面的速度和速度矢量圖可以看出,7秒時機艙前部的所有區(qū)域的速度場都受到了影響,7秒后機艙后部開始受到影響,大約23秒時,整個機艙內(nèi)部的速度場都受到影響并逐漸穩(wěn)定下來,接下來的幾十秒鐘時間里只有小范圍的波動。

圖2 速度分布圖

如圖2所示,在大約10秒左右,火源已經(jīng)完全影響到了機艙的前部,并開始影響機艙后部的空氣流動;速度場分布不均勻,局部 (通風(fēng)口、火源上方)速度過大,其他區(qū)域很小;但高度Z=5.5m時,即靠近艙門高度的速度場很均勻,這是因為艙門的開啟保持了與外界的流通,無論是壓力、溫度和空氣流通;艙門成為了一個緩沖閥,可以保持艙門附近區(qū)域空氣狀態(tài)的相對穩(wěn)定。

從圖3中可以看出在起火后大約30秒時刻就已經(jīng)影響到全部機艙區(qū)域并趨于穩(wěn)定,而且3m高度比0.3m高度處速度場受影響更快,部分是因為空氣碰到機艙內(nèi)頂蓬甲板時發(fā)生反彈,使空氣向平行方向發(fā)散,因此空氣的速度要比0.3m高度的空氣速度大,受影響更早。因此得出結(jié)論如下：

圖3 速度分布圖

(1)機艙內(nèi)設(shè)備密集的地方空氣遇到障礙物反彈,速度就相對大一些,反之設(shè)備不多的地方空氣遇不到障礙物,速度一旦穩(wěn)定下來就比其他區(qū)域速度要小。

(2)還有重要的一點就是機艙內(nèi)速度最大的幾個地方除了進氣口與排風(fēng)口之外,艙門處和火源上方的速度最大：火源上方速度大是因為火焰燃燒消耗氧氣并產(chǎn)生煙塵,熱煙氣本身雖然不能燃燒,但它的溫度很高,密度較小,必然形成對流。附近壓力的劇烈變化也會導(dǎo)致空氣流動;艙門處的速度大是因為艙內(nèi)燃燒使得艙內(nèi)壓力大于艙外因而向外排放氣體,使得艙門處的速度在整個過程中都很大。

2.2 速度矢量圖分析

圖4 速度矢量圖

速度矢量的方向都是朝向艙門外面的,說明至少在前100秒時間內(nèi),艙門開啟時,是在向外部排氣的,同時帶走了巨大的熱量,并沒有出現(xiàn)進氣助燃的情況。所以在機艙火災(zāi)發(fā)生100秒時間內(nèi) ,即使工作人員都撤離了,艙門也不需要馬上關(guān)閉。

2.3 氧氣含量圖分析

圖5是時間t=23秒時、高度Z=3m時氧氣含量切面圖,從圖上可以看出機艙前部的氧氣含量下降的很快,并且火焰的燃燒已經(jīng)開始消耗機艙后部的氧氣了。

圖6是t=80秒時的氧氣含量切面圖,此時機艙內(nèi)的含氧量已經(jīng)很低了,機艙內(nèi)人員必須盡快撤離,這同時反映機艙起火后,工作人員沒有充足的時間對起火火源進行控制,而且考慮到人員安全,必須盡快撤離。

圖5 氧氣含量圖

圖6 氧氣含量圖

圖7是機艙起火后100秒內(nèi)艙內(nèi)溫度分布的5次截圖。由圖7可得看出,雖然起火后100秒內(nèi)機艙后部溫度受影響不大,但機艙前部溫度升高非?？?到60秒時已經(jīng)達到80度左右,艙室內(nèi)的溫度已升高至人體所無法承受的溫度,因此根據(jù)溫度變化趨勢,可斷定在約80秒左右之前人員必須從艙室內(nèi)撤離;同時也可以看到,至少在前100秒內(nèi),機艙的強制通風(fēng)系統(tǒng)無法發(fā)揮良好的通風(fēng)散熱作用,艙內(nèi)溫度逐漸升高。但若能在容易發(fā)生起火的火源點上方的甲板上加上一個通風(fēng)口,通風(fēng)效果也許會好一些[6]。

圖7 溫度分布圖

3 結(jié) 語

本文運用FDS軟件較為真實地模擬了某全回轉(zhuǎn)拖船機艙在有火源且艙門開啟時機艙內(nèi)各種場的分布情況,得到機艙內(nèi)燃燒速度、氧氣含量、溫度速度矢量圖并對艙內(nèi)所設(shè)探測點處的速度在100秒模擬時間內(nèi)的變化進行做了總結(jié),并給出相應(yīng)的科學(xué)解釋,得出如下結(jié)論：

(1)模擬的結(jié)果向人們展示了經(jīng)驗層次上所無法觀察到的艙內(nèi)速度場具體變化分布情況。

(2)在有火源的情形下,艙內(nèi)速度場的分布直接影響到了艙內(nèi)各處氧氣含量并決定了艙內(nèi)溫度場的分布;有火源情形下的模擬結(jié)果得出100秒內(nèi)關(guān)閉艙門不利于機艙火災(zāi)的控制。

(3)模擬的這艘拖船的強制通風(fēng)系統(tǒng)工作情況良好,可以用良好的氣流組織向機艙內(nèi)注入足夠的新鮮空氣以保證機艙內(nèi)設(shè)備的正常工作,保證工作人員的健康狀況和良好的工作狀態(tài)。模擬結(jié)果顯示在機艙甲板上增加一個排風(fēng)口會使通風(fēng)情況更好。

[1]赫偉健,王迎新,段樹林,等.船舶機艙空間溫度場速度場的數(shù)值模擬[J].大連海事大學(xué)學(xué)報,2005,31(1)：39-41.

[2]季軍,于希斌.船舶機艙火災(zāi)成因分析及對策[J].世界海運,2005,28(4)：19-21.

[3]周山.柴油機船舶機艙熱環(huán)境數(shù)值模擬[D].大連：大連海事大學(xué),2010.

[4]胡靖,陸守香,黎昌海,等.船舶封閉艙室火災(zāi)煙氣溫度特性研究[J].火災(zāi)科學(xué),2010,19(3)：109-115.

[5]蘇慶勇,賀廣興,李響.游船空調(diào)降溫過程艙內(nèi)溫度場及速度場的動態(tài)模擬[J].低溫與超導(dǎo),2008,36(2)：51-54.

[6]王亮,蘇石川,聶宇宏,等.船舶機艙火災(zāi)中回燃現(xiàn)象的數(shù)值計算與分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2009,31(6)：63-66.