袁書生, 趙元立, 丁偉鋒

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細(xì)水霧壓制艦船機(jī)庫地面油料火災(zāi)的大渦模擬

袁書生, 趙元立, 丁偉鋒

1引言

當(dāng)前艦船大多裝備直升機(jī),不執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí),直升機(jī)庫往往沒有人員值守,一旦飛機(jī)漏油并發(fā)生火災(zāi),對艦船安全將產(chǎn)生致命的影響,為此使用者十分關(guān)注直升機(jī)庫的防滅火。以往人們多采用哈龍滅火劑撲滅機(jī)庫火災(zāi),受到環(huán)境保護(hù)的制約,人們將目光又回到水滅火劑上[1]。水滅火劑不僅滅火效率高,還有一突出優(yōu)點(diǎn)——無毒,特別適合有人員的滅火場合,即機(jī)械滅火和人員手動滅火可同時(shí)進(jìn)行。傳統(tǒng)的水柱滅火系統(tǒng)不適宜撲滅油池火災(zāi),容易引起油池?fù)P沸,可能反而會加速火蔓延,流到下層艙室的水還會引起電氣系統(tǒng)的損壞,試驗(yàn)表明細(xì)水霧滅火技術(shù)在很大程度上可以克服這些不足[2,3],并滿足高效、經(jīng)濟(jì)、安全滅火的總要求。

圍繞細(xì)水霧撲滅油池火災(zāi)技術(shù),已開展了一些實(shí)驗(yàn)研究[4,5]。但是,這些試驗(yàn)往往成本很高,且危險(xiǎn)性極大。湍流大渦模擬方法具有信息量大、精度較高等突出優(yōu)點(diǎn),近年來在火災(zāi)研究中得到了越來越多的應(yīng)用。本文針對細(xì)水霧-熱煙氣兩相流動及相互作用的特點(diǎn),采用水滴熱蒸發(fā)模型及Euler-Lagrange兩相流模擬策略,即將煙氣運(yùn)動采用Euler方法描述,將水滴的運(yùn)動采用Lagrange方法跟蹤,考慮兩相之間質(zhì)量、動量和能量的耦合,地面漏油燃燒采用液體表面蒸發(fā)與空間火蔓延相互作用模型,對水霧滅火條件下艦船直升機(jī)庫內(nèi)油池火災(zāi)煙氣運(yùn)動進(jìn)行了大渦數(shù)值模擬,在此基礎(chǔ)上研究水霧大小對滅火效果的影響。

2數(shù)學(xué)模型與數(shù)值求解方法

應(yīng)用盒式濾波器,對描述水霧滅火的受限空間內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動的湍流瞬時(shí)控制方程組,作Favre濾波運(yùn)算,得到的大渦模擬控制方程組:

(1)

(2)

(3)

(4)

水滴運(yùn)動和蒸發(fā)分別表述為:

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

對亞格子湍流應(yīng)力、熱流通量和質(zhì)量流通量分別采用Deardorff模型[6]和渦擴(kuò)散模型[7]進(jìn)行模擬,并采用Werner-Wengle壁模型進(jìn)行近壁區(qū)修正[8]。對燃油燃燒采用表面蒸發(fā)模型[9]模擬,湍流燃燒采用多步反應(yīng)的混合物分?jǐn)?shù)模型[10]模擬,對輻射傳熱采用有限體積法[11]模擬。

在交錯(cuò)網(wǎng)格系上將上述大渦模擬控制方程組離散,時(shí)間上采用顯式的二階精度的預(yù)測-校正格式,空間上采用二階精度的差分格式,對流項(xiàng)則采用基于Superbee通量限制器的TVD格式,擴(kuò)散項(xiàng)則采用中心差分格式。建立壓力的Poisson方程并采用FFT方法直接求解。

3模擬對象與工況參數(shù)

選取與無人員值守的實(shí)際機(jī)庫接近的條件,對圖1所示艦船直升機(jī)庫模型內(nèi)的漏油燃燒與空間火蔓延相互作用及細(xì)水霧滅火進(jìn)行了大渦數(shù)值模擬。機(jī)庫長14.5 m、寬11.5 m和高5.0 m,機(jī)庫門高5.0 m、寬6.0 m。為了模擬無人值守狀態(tài)的火蔓延與滅火行為,假設(shè)機(jī)庫門關(guān)閉,但是在門的上下端各布置一個(gè)水平裂縫,長與門寬度相同,高為0.03 m,以考慮實(shí)際機(jī)庫門的不密封效應(yīng)。其地板、頂棚和各墻面均為鋼板,厚度0.016 m。在機(jī)庫中央布置了一尺寸大約10 m長、3 m寬、2 m高的模擬直升機(jī),材料為0.016 m的鋼板。采用位于機(jī)庫地面中心、長寬均為5.0 m的液體庚烷油池火為火源,深0.02 m。在機(jī)庫頂棚上均勻布置了35個(gè)細(xì)水霧滅火水噴頭,滅火系統(tǒng)按照噴水強(qiáng)度為10.0 Lpm/m2設(shè)計(jì),由此計(jì)算得到每一噴頭的水流量為47.6 L/min,假設(shè)噴霧錐半角為50,噴頭出口處水滴直徑符合修正的Rosin-Rammler分布,水滴出口速度為5.0 m/s。當(dāng)水滴運(yùn)動遭遇到熱固體壁面時(shí),將在垂直固體表面上以0.5 m/s、在水平固體表面上以0.2 m/s的速度,隨機(jī)給定的方向水平運(yùn)動,邊運(yùn)動、邊從壁面吸熱、邊蒸發(fā)。水噴頭由溫度傳感器啟動,觸發(fā)溫度為74 ℃。

在各坐標(biāo)方向上均采用均勻網(wǎng)格劃分,空間網(wǎng)格數(shù)為150×108×50。為了研究水霧尺寸對滅火效果的影響,選取水滴平均直徑分別為100.0、300.0、500.0、700.0 μm的條件下進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算的總時(shí)間取為300.0 s,時(shí)間步長由滿足數(shù)值穩(wěn)定性要求的CFL數(shù)確定。

本文采用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS6.0計(jì)算[12]。計(jì)算中,對墻壁、地板與頂棚采用厚壁假設(shè)。取環(huán)境溫度為25 ℃。

圖1　艦船直升機(jī)庫示意圖Fig.1　The sketch map of maritime helicopter garage

4結(jié)果與討論

圖2給出了細(xì)水霧滅火系統(tǒng)固定的水流流量、不同的水滴平均直徑條件下,封閉的直升機(jī)機(jī)庫內(nèi)(門上下有一定的泄漏)地面漏油火災(zāi)釋熱率的模擬結(jié)果。由圖2可以看出,無水霧滅火時(shí),機(jī)庫內(nèi)油池火災(zāi)快速發(fā)展,在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到了最大釋熱速率,由于機(jī)庫門關(guān)閉,火災(zāi)燃燒產(chǎn)物的流出和新鮮空氣的進(jìn)入受到限制,在最大釋熱率后,機(jī)庫火災(zāi)進(jìn)入了通風(fēng)控制狀態(tài),釋熱率迅速下降,經(jīng)歷一段時(shí)間后,排煙和進(jìn)風(fēng)逐漸趨于平衡,釋熱率也趨于穩(wěn)定,直到燃油燒盡。采用細(xì)水霧滅火后,與通風(fēng)控制燃燒作用一起,火災(zāi)蔓延受到了顯著壓制,使釋熱率更快速地下降到非常低的水平。在細(xì)水霧滅火初期,所研究的四種水滴直徑對火災(zāi)壓制的影響基本上沒有差異,只有在10 s到50 s之間,才表示出水滴直徑越小,火災(zāi)壓制效果越好的特點(diǎn),75 s后在曲線上已經(jīng)看不出水滴直徑對滅火效果的影響。

圖2　 細(xì)水霧滅火時(shí)不同水滴直徑對火災(zāi) 釋熱率影響的計(jì)算結(jié)果Fig.2　 The calculated outcome to effect of different size water drop to heat release rate by use of mist fire extinguisher

為了說明上述火災(zāi)蔓延的特點(diǎn),圖3給出了t=20-25 s時(shí)上述五個(gè)工況下,機(jī)庫內(nèi)中心對稱面上熱煙氣平均溫度分布。由圖3a看出,無水霧滅火時(shí),火災(zāi)發(fā)生了20 s左右后,盡管機(jī)庫門關(guān)閉,但由于機(jī)庫門上下均有漏風(fēng)口,新鮮風(fēng)由下縫吸入,熱煙氣由上縫流出,加上進(jìn)風(fēng)口不大,進(jìn)風(fēng)量不多,機(jī)庫內(nèi)的氧氣消耗快、補(bǔ)充慢,其煙氣溫度分布不再呈分層結(jié)構(gòu),機(jī)庫門附近區(qū)域溫度顯著地高于遠(yuǎn)離門口的區(qū)域,即火焰區(qū)位于機(jī)庫門附近。由圖3b-3e看出,同樣時(shí)間間隔內(nèi),機(jī)庫內(nèi)煙氣溫度明顯下降,而且隨著水霧水滴平均直徑減小,溫度下降越大。由圖3b-3c還可以看出,當(dāng)水滴平均直徑為700和500微米時(shí),機(jī)庫上方出現(xiàn)了兩個(gè)高溫區(qū)域,一個(gè)位于機(jī)庫中央偏前一些,另一個(gè)位于機(jī)庫門附近,說明受到直升機(jī)機(jī)身和水霧滅火的聯(lián)合作用,燃燒區(qū)被分割開。由圖3d-3e則可以看出,當(dāng)水滴平均直徑為300和100微米時(shí),僅有一個(gè)位于機(jī)庫門附近的很小的局部高溫區(qū),溫度也不大,說明受到細(xì)水霧滅火和供養(yǎng)不足的聯(lián)合作用,燃燒區(qū)被擠到門上出口附近。

圖3　t=20-25 s時(shí)機(jī)庫內(nèi)垂直對稱面上煙氣平均溫度(Co)分布Fig.3　 The distribution of averaged gas temperature on the vertical symmetric plane of garage during t=20-25 s(Co)

圖4和5分別給出給出了t=95-100 s時(shí)上述五個(gè)工況下,機(jī)庫內(nèi)中心對稱面上熱煙氣平均溫度和水滴質(zhì)量平均濃度分布。由圖4a看出,無水霧滅火時(shí),火災(zāi)發(fā)生了95 s左右后,燃油蒸發(fā)、進(jìn)風(fēng)和排煙接近平衡,機(jī)庫內(nèi)出了火焰區(qū)外,其它地方煙氣溫度接近分層結(jié)構(gòu)。由圖4b-4e看出,采用細(xì)水霧滅火后在t=95 s左右,機(jī)庫內(nèi)煙氣溫度明顯下降,而且隨著水霧水滴平均直徑的減小,煙氣溫度分布越不均勻,即熱煙氣區(qū)域在減小。由圖5看出,火災(zāi)發(fā)生了95 s左右后,不同水霧水滴直徑條件下,機(jī)庫空間水滴濃度的分布不同。當(dāng)水滴平均直徑為700微米時(shí),絕大部分水滴在機(jī)庫上部區(qū)域內(nèi)完成了蒸發(fā);而水滴平均直徑為500、300、100微米時(shí),在機(jī)庫前端有一部水滴滴落在機(jī)庫地面上,隨著水滴平均直徑的減小,滴落的水量越大。通過圖4可以解釋這一現(xiàn)象,因?yàn)殡S著滅火水霧水滴平均直徑越小,機(jī)庫內(nèi)前端煙氣溫度越低,顯然水滴蒸發(fā)減弱。

圖4　t=95-100 s時(shí)機(jī)庫內(nèi)垂直對稱面上煙氣平均溫度(Co)分布Fig.4　 The distribution of averaged gas temperature on the vertical symmetric plane of garage during t=95-100 s(Co)

圖5　t=95-100 s時(shí)機(jī)庫內(nèi)垂直對稱面上水滴質(zhì)量平均濃度(kg/m3)分布Fig.5　 The distribution of averaged mass concentration of water drop on the vertical symmetric plane of garage during t=95-100 s(kg/m3)

5結(jié)論

本文在保持滅火水流量不變,滅火水噴頭在機(jī)庫頂棚上均勻布置,對細(xì)水霧滅火條件下、封閉(部分泄漏)機(jī)庫內(nèi)以漏油為燃料的火災(zāi)蔓延與煙氣運(yùn)動進(jìn)行了大渦模擬,得到以下結(jié)論:

(1) 在滅火初期,水滴的直徑對火災(zāi)壓制效果才有明顯影響。

(2) 在機(jī)庫存在泄漏的水霧滅火過程中,燃燒區(qū)將移動到門口(泄漏處)附近,均勻布置在頂棚的水噴頭不能直接對準(zhǔn)火焰區(qū),影響滅火效果。

(3) 在本類型火災(zāi)滅火場景下,水滴直徑過小時(shí),短時(shí)間內(nèi)就可能在地面上形成水積累。

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袁書生男(1963),河北武邑人,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橥牧魅紵龑?shí)驗(yàn)與模擬研究。

趙元立(1960),山西河津人,教授,主要研究方向?yàn)檠b備安全。

(海軍航空工程學(xué)院,山東 煙臺264001)

摘要：采用燃油蒸發(fā)模型、空間火蔓延、煙氣運(yùn)動、水滴與熱氣體相互作用的大渦模擬方法,在保持滅火水流量不變,滅火水噴頭在機(jī)庫頂棚上均勻布置的細(xì)水霧滅火條件下,對封閉(部分泄漏)機(jī)庫內(nèi)漏油火災(zāi)蔓延與煙氣運(yùn)動進(jìn)行了模擬研究,結(jié)果表明:只有在滅火初期,水滴直徑對火災(zāi)壓制效果才有明顯影響。封閉機(jī)庫存在泄漏的水霧滅火過程中,燃燒區(qū)將移動到泄漏附近,均勻布置在頂棚的水噴頭不能直接對準(zhǔn)火焰區(qū),影響滅火效果。水滴直徑過小時(shí),短時(shí)間內(nèi)就可能在地面上形成水積累。

關(guān)鍵詞：艦船火災(zāi); 油料火災(zāi); 大渦模擬; 細(xì)水霧滅火

Large Eddy Simulation of Jet-Fuelled Pool Fires Extinguished with Mist in Helicopter Storerooms of ShipboardsYUANShusheng,ZHAOYuanli,DINGWeifeng

(Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai Shandong 264001,China)

Abstract：Under the condition of constant water flow and mist nozzles equably arranged on the ceiling,the model of fuel evaporation and the large eddy simulation method of space fire spread,fire smoke motion,and interaction between water droplet and heat gas are used to calculate the dynamics of jet-fuelled pool fire in a closed helicopter storeroom of shipboard with a mist fire extinguished system and with leaks.The diameter of water droplets may remarkably affect the deference of fires extinguished effect only during the first phase of fires.For the closed helicopter storeroom of shipboard with leaks,the flame will wove to the position of the leak mouth,the mist do not arrive the flame and the fires extinguished effect when mist nozzles are equably arranged on the ceiling.

Key words：helicopter storeroom fires; pool fires; large eddy simulation; water mist extinguishing

中圖分類號：U 698.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A