，

(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 230026)

火災(zāi)煙氣具有遮光性、高溫和毒性，是造成火災(zāi)中人員傷亡的重要因素，同時濃煙帶來的火場能見度降低，還會給滅火救援工作的開展帶來困難。艦船艙室多具有密閉性，火災(zāi)中若有新鮮空氣進入，可能會造成火勢的進一步擴大。因此，目前當(dāng)艦船艙室發(fā)生火災(zāi)時，機械進、排風(fēng)系統(tǒng)均會在較短時間內(nèi)被切斷。然而也有研究表明，盡管冷空氣進入火場會加劇燃燒、增大產(chǎn)煙量，但其可以在很大程度上降低煙氣溫度、提高火場能見度。同時有報告指出，起火后5～8 min內(nèi)，通風(fēng)設(shè)備的開啟并不會造成燃燒的加劇[1]。目前，通風(fēng)對煙氣控制影響的試驗還沒有得到一致的結(jié)論[2]。 為此，本文采用大渦模擬的方法，分析通風(fēng)系統(tǒng)對于火災(zāi)煙氣控制的綜合影響。

1 模型的建立

1.1 模擬軟件

采用的模擬軟件為《美國國家標準技術(shù)局》開發(fā)的火災(zāi)模擬軟件FDS(fire dynamics simulator)。FDS是用于模擬火災(zāi)中流體流動的計算流體動力學(xué)場模擬軟件，該軟件采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的N-S方程，主要用于模擬計算火災(zāi)過程中煙氣流動和熱傳遞。

1.2 物理模型

以某典型船舶機艙為研究對象，機艙主要分為下部機械處所和上部煙囪圍井兩部分，幾何結(jié)構(gòu)見圖1?；鹪丛O(shè)定為t平方超快速火，最大熱釋放速率為10 MW，火源位于機艙內(nèi)底。

圖1 機艙物理模型

機艙煙囪圍井頂部設(shè)有10個百葉窗通風(fēng)口，通風(fēng)口尺寸為0.9 m×1.2 m。機艙共有3臺進風(fēng)機，每臺進風(fēng)機的風(fēng)量均為113 000 m3/h，進風(fēng)口數(shù)量為8個，尺寸均為0.8 m×0.8 m，進風(fēng)口位于機械處所區(qū)域側(cè)壁上，每個進風(fēng)口的進風(fēng)量為：q進=Q進/8=42 375 m3/h≈11.77 m3/s。機艙有1臺排風(fēng)機，排風(fēng)機風(fēng)量為84 000 m3/h，排風(fēng)口數(shù)量為8個，尺寸均為0.8 m×0.8 m，排風(fēng)口位于機械處所區(qū)域頂棚甲板處，每個排風(fēng)口的排風(fēng)量為：q排=Q排/8=10 500 m3/h≈2.92 m3/s。

2 模擬工況的設(shè)定

機艙中的機械通風(fēng)系統(tǒng)分為進風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)，為分析機艙內(nèi)現(xiàn)有機械通風(fēng)系統(tǒng)對火災(zāi)煙氣控制綜合效果的影響，根據(jù)進風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)的不同啟閉組合模式，設(shè)定4種模擬工況，見表1。

表1 模擬工況表

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 煙氣擴散模擬結(jié)果對比分析

進風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)均屬于強制通風(fēng)，在火災(zāi)情況下開啟，必然會改變艙室內(nèi)原有的氣流形式，從而對火災(zāi)煙氣的擴散和蔓延造成影響。

在設(shè)定火災(zāi)場景中，起火后100 s，不同通風(fēng)工況條件下，煙氣蔓延情況見圖2。

圖2 不同通風(fēng)工況中煙氣蔓延情況(起火后100 s)

由圖2可見，在模擬工況A中，由于進風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)均未開啟，煙氣沒有受到任何形式的干擾，在浮力作用下向上蔓延，在機械處所的底層區(qū)域內(nèi)形成了穩(wěn)定的煙氣層，并通過頂部開口蔓延至機械處所上部區(qū)域，逐漸充滿該區(qū)域。

在模擬工況B中，機械進風(fēng)系統(tǒng)開啟，可以明顯看出進風(fēng)氣流干擾了煙氣羽流的運動，機械處所底層區(qū)域內(nèi)并未形成穩(wěn)定的煙氣層，同時進風(fēng)氣流加速了煙氣向上部區(qū)域的擴散，與工況A相比，受到煙氣影響的區(qū)域范圍明顯增大，但在圖中也可以明顯看出，由于新鮮空氣的補充，機械處所上部區(qū)域的煙氣濃度與未設(shè)置進風(fēng)系統(tǒng)的情況相比有所降低。

在模擬工況C中，機械排風(fēng)系統(tǒng)開啟，可以看出，100 s時煙氣被控制在機械處所區(qū)域內(nèi)，并未擴散至煙囪圍井中，即煙氣影響區(qū)域范圍與工況A相比有所減小，這是由于排風(fēng)系統(tǒng)可以有效地將煙氣排出，從而在一定時間內(nèi)控制煙氣向其他區(qū)域的擴散，但是與工況B相比，機械處所區(qū)域內(nèi)的煙氣濃度明顯較高。

在模擬工況D中，機械進風(fēng)系統(tǒng)與機械排風(fēng)系統(tǒng)同時開啟，機械進風(fēng)系統(tǒng)干擾了煙氣羽流的運動，在機械處所中并未形成穩(wěn)定的煙氣層，同時煙氣影響區(qū)域面積較大，由于在本模型中進風(fēng)量遠遠高于排風(fēng)量，因此模擬工況D的煙氣控制效果與模擬工況B相比，并未出現(xiàn)明顯改善。

通過以上分析可以看出，火災(zāi)中進風(fēng)系統(tǒng)的開啟會影響煙氣羽流的流動，造成煙氣層紊亂，從而擴大火災(zāi)煙氣的影響區(qū)域面積；然而進風(fēng)氣流可以加速煙氣向上部的運動，在艙室頂部具有開口的情況下，可以加速煙氣的排出，從而降低艙室內(nèi)的煙氣濃度。火災(zāi)中排風(fēng)系統(tǒng)的開啟可以有效控制煙氣向其他區(qū)域的擴散蔓延。

3.2 溫度分布模擬結(jié)果對比分析

火災(zāi)產(chǎn)生的高溫對于火場內(nèi)的人員和設(shè)備安全乃至艙室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性都有很大的影響，因此火場溫度是評判通風(fēng)系統(tǒng)是否能夠有效控制煙氣的重要因素。

起火后180 s，不同通風(fēng)工況條件下，機艙內(nèi)溫度分布見圖3。

圖3 不同通風(fēng)工況中機艙內(nèi)溫度分布(起火后180 s)

通過4種通風(fēng)情況下機艙內(nèi)溫度分布的對比可以看出，火災(zāi)中機械進風(fēng)和機械排風(fēng)系統(tǒng)的開啟均能夠有效降低著火艙室內(nèi)的溫度。

火災(zāi)中進風(fēng)系統(tǒng)的開啟能夠?qū)⑿迈r的空氣送入火場，通過新鮮空氣的冷卻作用達到降低火場溫度的作用，同時新鮮空氣的進入還可以為艙室內(nèi)人員提供較為理想的逃生環(huán)境，對于保證艙室內(nèi)人員安全具有重要意義。但是與上節(jié)煙氣擴散模擬結(jié)果中的分析一致，進風(fēng)氣流會擾亂煙氣層的穩(wěn)定，從而加速煙氣向其他區(qū)域的蔓延。因此，從圖中可以看出，模擬工況B和模擬工況D中，由于存在機械進風(fēng)，盡管著火的機械處所區(qū)域內(nèi)的溫度有較為明顯的降低，但是煙囪圍井內(nèi)的溫度卻與未開啟機械進風(fēng)的情況相比有所增大。

火災(zāi)中機械排風(fēng)系統(tǒng)的開啟，盡管不能通過送入新鮮空氣而使得火場溫度降低，但是可以使煙氣通過排風(fēng)管道快速有效地排出至室外，以減少煙氣在著火艙室內(nèi)的聚集，從而降低火場溫度。但是從圖中可以看出，在模擬的情況中，排煙系統(tǒng)對于降低室內(nèi)溫度的效果劣于進風(fēng)系統(tǒng)。

3.3 能見度分布模擬結(jié)果對比分析

火場中能見度對于火場內(nèi)人員逃生以及損管人員探火和滅火工作的開展具有很大影響，因此火場能見度也是評判通風(fēng)系統(tǒng)是否能夠有效控制煙氣的重要因素。

起火后180 s，不同通風(fēng)工況條件下，機艙內(nèi)能見度分布見圖4。

圖4 不同模擬工況中機艙內(nèi)能見度分布(起火后180 s)

通過4種通風(fēng)工況下能見度情況的對比可以看出，進風(fēng)系統(tǒng)對于降低著火區(qū)域內(nèi)的能見度具有較好的效果；然而進風(fēng)氣流會加速煙氣向其他區(qū)域的擴散蔓延，因此進風(fēng)系統(tǒng)的開啟同時也會造成其他區(qū)域能見度的下降。

排風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)⒒馂?zāi)煙氣排出室外，控制煙氣的擴散和蔓延，但是當(dāng)火災(zāi)發(fā)生一段時間后，其對于降低著火區(qū)域內(nèi)的能見度效果較差。

4 結(jié)論

1)火災(zāi)中開啟進風(fēng)系統(tǒng)可以有效降低系統(tǒng)設(shè)置區(qū)域的溫度，并提高該區(qū)域的能見度，有利于保證人員和設(shè)備在火場中的安全，并為損管人員探火和滅火工作提供良好環(huán)境。但是，進風(fēng)氣流同時會造成煙氣層的紊亂，加速煙氣向非著火區(qū)域的擴散蔓延，增大火災(zāi)煙氣影響區(qū)域范圍，從而造成進風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置區(qū)域以外的場所火災(zāi)危險性增大。因此在實際船舶消防設(shè)計中，若在火災(zāi)中采用機械進風(fēng)系統(tǒng)進行煙氣控制，則必須采用試驗或模擬的方法確定合適的進風(fēng)風(fēng)速，以使得進風(fēng)系統(tǒng)在降低火場溫度、提高能見度的同時，盡量減小對煙氣層的干擾。

2)火災(zāi)中開啟排風(fēng)系統(tǒng)可以將火災(zāi)煙氣及時有效地排出艙室外，從而減少高溫?zé)煔庠谂撌覂?nèi)的聚集，對降低著火艙室的溫度、提高能見度具有良好的效果。

5 后續(xù)研究重點

1)本文通過一個算例的模擬分析，僅得到了船舶機艙現(xiàn)有機械進風(fēng)系統(tǒng)和機械排風(fēng)系統(tǒng)對于煙氣控制效果的定性影響，可以看出，排風(fēng)系統(tǒng)對于火災(zāi)煙氣控制基本可認為是有利的，然而進風(fēng)系統(tǒng)對于火災(zāi)煙氣具有雙重影響。以往的試驗研究表明，在不同類型和尺寸的船舶艙室中開展的通風(fēng)系統(tǒng)對煙氣控制影響的研究，所得結(jié)果并不一致，甚至可能得到相反的結(jié)論。因此應(yīng)考慮艙室尺寸、船舶類型等多種因素，針對通風(fēng)系統(tǒng)對于煙氣控制影響這一問題，進一步開展試驗和模擬研究。

2)本模擬中分析內(nèi)容均針對火災(zāi)初期，因此并未得到通風(fēng)系統(tǒng)對于火勢增強方面的結(jié)論?；诶碚摲治觯诨馂?zāi)初始階段，艙室內(nèi)氧氣量通常較為充足，即火災(zāi)處于燃料控制階段，此時通風(fēng)系統(tǒng)的開啟對于火勢發(fā)展的影響不大；在火災(zāi)發(fā)展到一定程度后，火場內(nèi)氧氣含量相對不足，即燃燒處于通風(fēng)控制階段，通風(fēng)系統(tǒng)對于火勢的蔓延有著極大的影響。相關(guān)研究給出的此臨界時間為5～8 min，然而此結(jié)果的正確性和普適性還有待進一步研究。

3)本模擬中的機械進風(fēng)系統(tǒng)和機械排風(fēng)系統(tǒng)均采用典型船舶機艙中現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的進、排風(fēng)量、風(fēng)口大小、風(fēng)口位置等參數(shù)的設(shè)置都沒有考慮火災(zāi)煙氣的控制效果。因此，僅能定性得到進風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)對于機艙內(nèi)煙氣流動參數(shù)的影響；而未能得到煙氣控制的理想效果。在后續(xù)的研究中，可根據(jù)船舶機艙實際結(jié)構(gòu)和需求，在設(shè)計船舶機艙機械通風(fēng)系統(tǒng)時，兼顧煙氣控制效果，從而得到更準確的結(jié)果。

[1] GAMBLE G I，LAMBRINEAS P，KENNETT S R. Overview of ship survivability to the onset of fire following a weapons strike [R]. Ship Survivability Enhancement Program，F(xiàn)ire Series Data，Maritime Platforms Division，Defense Science and Technology Organization，1998.

[2] PER WALMERDAHL. An introduction to the concept of weapon-induced fires [R]. Department of Fire Safety Engineering, Lund University, Sweden, 1999.