丁立斌，陸金銘，任 凱，吳向君

(1.江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

解低速熱驅(qū)動(dòng)流，其燃燒基本控制方程如下:

質(zhì)量方程:

組分方程:

動(dòng)量方程:

能量方程:

氣體狀態(tài)方程:

0 引言

油池火災(zāi)是船舶上的一種常見(jiàn)的火災(zāi)形式［1］，特別是在甲板等自由空間上的池火由于氧氣供應(yīng)充足，燃燒非常劇烈，火焰高度有時(shí)可達(dá)數(shù)十米，且容易蔓延，危害性極大。同時(shí)，船舶池火火災(zāi)的燃料大都為燃油，其燃燒值約為4.28×104KJ/kg，燃燒時(shí)熱對(duì)流和熱輻射強(qiáng)度非常大，容易造成滅火人員燒傷，增加了滅火的難度，所以一旦產(chǎn)生大面積的甲板油池火，后果將不堪設(shè)想［2］。

目前，自由空間油池火災(zāi)的研究大都集中在燃燒的熱釋放率、輻射特性、溫度場(chǎng)分布等燃燒特性。水霧和水噴淋對(duì)火場(chǎng)的作用主要還是集中在受限空間和密封空間的火場(chǎng)分析上［3］。關(guān)于實(shí)際滅火過(guò)程中火場(chǎng)的變化情況分析研究較少，同時(shí)由于大尺度的油池火災(zāi)試驗(yàn)還難以開(kāi)展，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較難獲取。本文將采用基于場(chǎng)模擬的火災(zāi)模擬軟件FDS(Fire Dynamic Simulation)進(jìn)行油池火在水噴淋作用下的燃燒特性分析，為船舶消防訓(xùn)練提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值方法與仿真模型

1.1 數(shù)值方法

FDS軟件是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)的建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)發(fā)的模擬軟件。近年來(lái)由于其良好的性能和開(kāi)放性被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)安全工程領(lǐng)域，其計(jì)算結(jié)果也得到了國(guó)內(nèi)外不少研究人員的驗(yàn)證［4～6］。本研究采用低馬赫數(shù)的N－S方程求

本文采用大渦(LS)數(shù)值模擬方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。大渦模擬的基本思想是精確求解某個(gè)尺度上的所有湍流運(yùn)動(dòng)，低于這一尺度的采用湍流模型進(jìn)行計(jì)算，兼顧了計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間以及計(jì)算成本問(wèn)題。

1.2 仿真模型

模型設(shè)定燃燒池為2000 mm×2000 mm的矩形區(qū)域如圖1所示。水槍位置約為1700 mm高度，開(kāi)花水槍的噴射角度根據(jù)實(shí)際情況約為－116°～－150°之間，其余各項(xiàng)初始條件設(shè)定見(jiàn)表1。從實(shí)際實(shí)驗(yàn)中油池燃燒情況看，油池點(diǎn)燃后20～30s進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)定20 s時(shí)開(kāi)始噴淋動(dòng)作。根據(jù)實(shí)際滅火使用的噴淋水槍，噴淋液滴尺寸按1200 μm呈正態(tài)分布。

圖1 FDS油池模型

2 仿真結(jié)果與分析

計(jì)算過(guò)程中通過(guò)改變水槍頭與油池的距離以及水槍頭的入射角度，得出了不同滅火條件下的火勢(shì)變化情況。通過(guò)對(duì)比分析，不同距離和不同入射角度對(duì)火勢(shì)會(huì)產(chǎn)生不同的影響。從圖2可以看出，－150°入射角條件下滅火效果最好，火勢(shì)沒(méi)有較大波動(dòng);而－116°效果最差，在后期火勢(shì)有小幅的波動(dòng)。分析不同距離條件下的火勢(shì)的熄滅時(shí)間沒(méi)有較大的變化，可以認(rèn)為在距離火源一定范圍之內(nèi)，貼近火源并不能減小火焰的撲滅時(shí)間，這對(duì)實(shí)際滅火有很大的指導(dǎo)意義。

表1 FDS條件設(shè)置

圖2 不同距離和不同入射角度下的熱釋放率

此外，由圖3可見(jiàn)，油面上方300 mm處溫度隨入射角度不同而發(fā)生變化，入射角度越小溫度波動(dòng)越大。而距離油面上方1800 mm處的溫度基本不隨入射角度的變化。由于燃料燃燒速率受溫度影響，可以推測(cè)火勢(shì)大小受近油面溫度影響。

3 結(jié)論

通過(guò)FDS數(shù)值計(jì)算可以得到如下結(jié)論:

(1)在距離火源一定距離之內(nèi)，增加與火源的距離并不能提高滅火效果，反而會(huì)增加滅火人員滅火危險(xiǎn)。在滅火訓(xùn)練和實(shí)際的消防行為中，盡量保持合適的滅火距離，不要貼近火源。

(2)滅火中存在最優(yōu)的水流入射角，本文中為－150°，而其他火源形式或者滅火行為中需要重新計(jì)算最優(yōu)入射角。

(3)滅火過(guò)程中火勢(shì)受溫度影響，溫度對(duì)燃料液面的作用只限于一定的距離之內(nèi)。

圖3 不同入射角下的油面上方溫度分布

［1］吳家運(yùn).船舶火災(zāi)事故調(diào)查分析及防治［J］.船海工程，1990，20(5):40－41.

［2］范維澄，王清安，姜馮輝，周建軍.火災(zāi)學(xué)簡(jiǎn)明教程［M］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1995.

［3］李雯，陳軍，程曉舫.火災(zāi)學(xué)的研究與展望［J］.火災(zāi)科學(xué)，1998，(4):47 －52.

［4］WEN J X，KANG K.Validation of FDS for the prediction of medium － scale pool fires［J］.Fire safety Journal，2007，42(2):127 －138.

［5］YANG D，HUL H.Comparison of FDS prediction by different combustion models with measured data for enclosure fires［J］.Fire Safety Journal，2010，45(5):298 －313.

［6］BISWAS K，GORE J P.Fire dynamics simulation of buoyant diffusion flames stabilized on a slot burner［J］.Combustion and Flame，2006，144(4):850－853.