胡海兵，王 彥，王 鋒，方 俊，王進軍，張永明

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥230027）

1 引言

載人航天器是典型的孤立系統(tǒng)，要保證乘員的正?；顒雍蛢x器設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，必須采取措施控制其內(nèi)部環(huán)境。環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)（ECLSS）中艙內(nèi)環(huán)境通風(fēng)及其氣流組織方式會直接影響艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)的控制效果和熱舒適性[1]。

航天器艙是一個密閉而狹小的空間，艙內(nèi)的各種機電設(shè)備層疊密布，航天員的操作活動空間甚小，通暢性較差，個人逃逸受到限制，可利用的滅火資源非常有限，存在發(fā)生火災(zāi)的可能性。微重力密閉空間強迫通風(fēng)是載人航天器（包括空間站、載人飛船和航天飛機等）封閉艙內(nèi)的基本特征環(huán)境，微重力水平約為10-4g～10-6g。為保證航天員生存和舒適，艙內(nèi)保持氣壓約1atm、氧含量略高于21%、氣體流速0.2～0.8m/s[2]。一旦發(fā)生火災(zāi)，不僅會使航天員受到熱和毒氣的威脅，使艙內(nèi)設(shè)備及構(gòu)件受到損壞，而且還可能出現(xiàn)更多不可預(yù)見的險情。在早期火災(zāi)探測中“煙為火始”，目前載人航天器上較多采用的是光電型感煙和離子型感煙傳感器，由于微重力環(huán)境下，火災(zāi)煙霧早期特性和運動分布規(guī)律與地面存在的較大差異，采用常重力下的感煙探測報警器布置方法必然導(dǎo)致誤報和漏報偏高。目前國內(nèi)外學(xué)者對微重力環(huán)境中材料的可燃性、環(huán)境對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?、火?zāi)煙顆粒光散射理論、感煙探測器的選型及火災(zāi)煙霧探測識別算法等研究較深入，然而對微重力下強迫通風(fēng)火災(zāi)煙霧運動及分布規(guī)律的研究還沒有相關(guān)報道。

微重力環(huán)境火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展及產(chǎn)物與常重力環(huán)境有明顯的差異[3，4]。有效的火災(zāi)探測能夠很好的防治火災(zāi)，使火災(zāi)在初起期可以通過相對簡捷高效的方式對其進行撲滅。許多研究學(xué)者針對微重力環(huán)境火災(zāi)探測器的設(shè)計和選型進行了一系列研究，得出了適合于航天器的火災(zāi)探測器[5-7]。然而，在微重力環(huán)境中由于缺乏自然對流，探測器不能與常重力環(huán)境一樣布置在頂棚位置處。因此需要開展微重力環(huán)境火災(zāi)煙霧運動及濃度分布情況研究，指導(dǎo)火災(zāi)探測器的布置?；诨馂?zāi)燃燒試驗的破壞性和火災(zāi)數(shù)值模擬軟件FDS在微重力領(lǐng)域研究的有效應(yīng)用[8-13]，本文采用數(shù)值模擬方法研究微重力環(huán)境艙室火災(zāi)發(fā)生發(fā)展和煙霧運動及分布情況，為該環(huán)境下探測器的合理安裝提供理論支撐。

2 艙室介紹

模仿國際空間站實際艙體的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計并建立了1∶1的實體模型。實驗艙的主要功能是模擬空間站的主體結(jié)構(gòu)特征和強迫通風(fēng)煙霧流動情況，從而再現(xiàn)創(chuàng)造與實際空間站類似的結(jié)構(gòu)邊界條件與強迫通風(fēng)環(huán)境，為在此條件環(huán)境下分析火災(zāi)的行為特征規(guī)律，發(fā)展空間站火災(zāi)探測與滅火技術(shù)提供基本的試驗平臺。

實體圖與示意圖如圖1、圖2所示，實驗艙尺寸為：2m（長）×2m（寬）×4m（高），包括 1個中心位置的方柱形人員活動艙和4個弧形側(cè)面設(shè)備艙；強迫通風(fēng)系統(tǒng)包括6個45°斜向、變頻風(fēng)扇控制的40cm×40cm方形送風(fēng)口，以及與送風(fēng)口對應(yīng)的6個20cm×40cm回風(fēng)口。人員活動艙一端有供人員出入的2扇門，側(cè)面有實驗視頻觀測窗口，底面設(shè)備艙可布置各種場景火源，各個設(shè)備艙均可布置光電感煙探測器以采集各種實驗數(shù)據(jù)。

圖1 載人航天艙室實體圖

圖2 載人航天艙室示意圖

3 微重力強迫通風(fēng)環(huán)境煙霧輸運規(guī)律

3.1 實驗艙強迫通風(fēng)條件下流場分布數(shù)值模擬

針對模擬實驗艙頂棚送風(fēng)口采用45°角斜向送風(fēng)，底板自然通風(fēng)的氣流組織方式，采用流體動力學(xué)模擬軟件FLUENT進行數(shù)值計算，考察艙內(nèi)的氣體流動情況。由于艙室為對稱結(jié)構(gòu)，截取X=2m處的界面考察該種通風(fēng)方式對艙室氣流組織形式的影響。圖3為艙室內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。計算過程中使用控制容積法對N-S方程進行離散。差值方案選擇Body Force Weighted格式，壓力-速度耦合方程用SIMPLE算法，動量、能量、k和ε方程選擇二階迎風(fēng)格式。選用的湍流模型為帶浮力修正的k－ε方程，壁面處理采用標準壁面函數(shù)方法。

圖3 艙室內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖4 艙室X=2m截面氣流速度矢量圖

圖5 艙室X=2m截面氣流速度等值線圖

圖4和圖5分別為艙室X=2m截面氣流速度矢量圖和氣流速度等值線圖。從圖4可以看出，采用這種通風(fēng)方式，艙室內(nèi)流場分布均勻。國際空間站對艙室氣體流速分布的具體要求為：艙內(nèi)整場2/3的氣體流速0.051m/s～0.203m/s，最大不得大于1.02m/s，最小不得小于0.036m/s[14]。從圖5中可以看出，采用該種通風(fēng)方式可以使艙室內(nèi)氣流速度分布滿足要求，即滿足航天艙內(nèi)宇航員的熱舒適性要求。

3.2 實驗艙強迫通風(fēng)條件下火災(zāi)煙霧濃度分布數(shù)值模擬

3.2.1 燃燒材料選取

由于微重力環(huán)境中火災(zāi)主要是由導(dǎo)線、電路板、電子元器件等過流過載引發(fā)的，根據(jù)國外研究機構(gòu)在微重力環(huán)境中的試驗結(jié)果[15]，選取丙烷作為燃料代替典型可燃材料的燃燒率及產(chǎn)煙率。應(yīng)用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件 FDS（Fire Dynamic Simulation），修改其中相應(yīng)的材料參數(shù)代替導(dǎo)線等大部分可燃物的燃燒。該近似火源在微重力環(huán)境中的產(chǎn)煙參數(shù)如表1所示。

表1 丙烷燃料煙源參數(shù)

3.2.2 模擬實驗艙邊界條件和工況

艙體尺寸：4m×2m×2m，煙源尺寸：0.2m×0.2m，通風(fēng)情況：頂棚6個斜向45°角通風(fēng)口初速度0.3m/s及相對應(yīng)正下方的幾個相同尺寸的開口；溫度：293K；網(wǎng)格劃分：80×40×40=12.8萬個網(wǎng)格，計算時間：500s。由于航天艙室為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以火源位置選取在艙室底面中心和側(cè)壁中心位置處?？紤]到國際空間站中有的艙室內(nèi)無強迫通風(fēng)，所以選取有通風(fēng)和無通風(fēng)的情況進行對比分析（表2）。

表2 火源位置與通風(fēng)條件工況

3.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

為保證數(shù)值模擬的正確性和檢查的直觀性，在數(shù)值模擬過程中加入示蹤粒子，得到的通風(fēng)情況如圖6所示。火災(zāi)探測要求在1min～2min內(nèi)報警，故截取75s～100s時間段并對煙氣濃度取平均值，考查煙氣分布情況以指導(dǎo)探測器的選型和安裝。

圖6 通風(fēng)情況的直觀粒子示蹤圖

圖7和圖8為火源位于底面中心，無通風(fēng)情況（A2）和有通風(fēng)（A1）兩種工況煙氣濃度（mg/m3）分布數(shù)值模擬結(jié)果。對比兩圖可以發(fā)現(xiàn)，在無通風(fēng)情況下，由于在微重力環(huán)境中缺乏自然對流效果，所以煙氣呈半球型靠溫度梯度向外均勻擴散，且在火源位置處煙霧濃度較高。當(dāng)有通風(fēng)情況時，強迫通風(fēng)氣流的卷吸和夾帶對煙霧濃度起稀釋的作用，所以煙霧最大濃度要低于工況A2，且在側(cè)壁及頂棚都有較高煙氣濃度分布。在數(shù)值求解過程中，由于初始計算條件的不同，得到如圖8所示的符合數(shù)學(xué)物理角度分析的分岔解[1]。

圖9和圖10為火源位于側(cè)壁中心，無通風(fēng)條件（B2）和有通風(fēng)條件（B1）下煙氣濃度分布。在無強迫通風(fēng)情況下，煙霧仍然在火源位置處聚集呈輻射狀向外發(fā)展。當(dāng)有強迫通風(fēng)時，由于側(cè)壁位置距離出風(fēng)口位置較近，因此對煙霧影響與火源在底板中心位置處不同，煙霧大部分集中在豎向高度0.5m位置以上，且頂棚出聚集的煙霧量要小于A1工況。

圖7 截面X=2m處75-100s平均煙霧濃度分布云圖

圖8 截面X=2m處75-100s平均煙霧濃度分布云圖

圖9 截面X=2m處75-100s平均煙霧濃度分布云圖

圖10 截面X=2m處75-100s平均煙霧濃度分布云圖

綜上所述，當(dāng)無強迫通風(fēng)情況，火源無論位于什么位置，探測器最適宜布置在火源位置附近。但是這樣難免要布置很多點，并且增加功耗。所以建議采用吸氣式進行探測，即定期從空氣循環(huán)系統(tǒng)中吸氣到分析系統(tǒng)中進行空氣質(zhì)量分析，并采用煙氣濃度、煙氣溫度、CO濃度進行多信息融合探測報警。

從圖7-圖10的整個模擬結(jié)果表明，當(dāng)火源位于底板中心位置處，有強迫通風(fēng)的情況建議探測器布置在出風(fēng)口位置或者頂棚離送風(fēng)口約0.5m的位置，且應(yīng)對稱分布；當(dāng)火源位于側(cè)壁處且有強迫通風(fēng)條件時，由于強迫通風(fēng)的影響，煙氣向出風(fēng)口位置處移動，煙氣在頂棚也有聚集，建議感煙探測器布置在出風(fēng)口位置附近及頂棚距離送風(fēng)口0.5m位置處。

4 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，頂棚送風(fēng)口采用45°角送風(fēng)和底板自然通風(fēng)的通風(fēng)方式，當(dāng)送風(fēng)口初速度為0.3m/s時，其速度分布符合國際空間站要求，能夠滿足艙內(nèi)人員生活和設(shè)備散熱的需求。

（2）當(dāng)火源位于底板中心位置處，建議光電感煙探測器布置在出風(fēng)口位置或者頂棚離送風(fēng)口約0.5m的位置，且應(yīng)對稱分布；當(dāng)火源位于側(cè)壁處且有強迫通風(fēng)條件時，建議光電感煙探測器布置在出風(fēng)口位置附近及頂棚距離送風(fēng)口0.5m位置處。 ◇

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