尹成斌　麻偉東　李 杰　徐翱翔（.海軍977部隊，山東　青島　66405；.海軍工程大學 動力工程學院，湖北　武漢　430033）

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艦船封閉艙室火災煙氣特性分析

尹成斌1麻偉東1李 杰2徐翱翔2
（1.海軍92771部隊，山東青島266405；2.海軍工程大學 動力工程學院，湖北武漢430033）

摘要：封艙滅火作為艦船火災消防的有效手段之一，研究封閉艙室火災煙氣特性具有重要的工程應(yīng)用價值。本文從封閉艙室火災發(fā)展和煙氣特性分析兩個方面，建立了封閉艙室火災煙氣高度模型、熄火時間模型、熄火時刻艙室溫度模型和CO濃度模型，并采用算例對這一理論模型進行了驗證。研究結(jié)果表明：這一理論模型能夠較好地對封閉艙室火災煙氣的生成特性和流動特性進行理論分析，能夠為艦員封艙滅火場景下的損害管制提供參考。

關(guān)鍵詞：火災；封艙滅火；煙氣特性

艦船結(jié)構(gòu)復雜，火災載荷分布相對集中，一旦發(fā)生火災極易蔓延，容易造成重大人員傷亡，嚴重影響艦船生命力。為了減少火災造成的艦船生命力損失和提高艦船火災防治的有效性，必須加強對艦船火災發(fā)生發(fā)展和防治規(guī)律的研究。煙氣作為艦船火災安全領(lǐng)域的重要內(nèi)容，是造成人員傷亡和火勢增長的重要因素，它的生成和流動特性對艦船火災消防和人員逃生具有重要的意義。本文對某一艦船小尺寸艙室進行理論分析，重點研究了火災煙氣填充模型、艙室火災熄滅模型、艙室火災煙氣的溫度特性和毒性，對艦船火災消防具有重要的應(yīng)用價值。

1 封閉艙室火災發(fā)展過程

如圖1所示，艦船封艙滅火初期，艙室上層為熱煙氣層，下層為冷空氣層，二者之間存在一個過渡層；隨著火災的發(fā)展，艦船整個艙室迅速充滿了煙氣，艙室可分為密煙氣層和稀煙氣層，密煙氣層內(nèi)部溫度均一，疏煙氣層內(nèi)部溫度呈現(xiàn)較明顯的梯度，此時采用傳統(tǒng)的雙區(qū)域模型分析火災煙氣特性具有一定的局限性；在艦船封閉艙室火災穩(wěn)定階段，火災煙氣會發(fā)生循環(huán)卷吸現(xiàn)象：一方面密煙氣層厚度增加，另一方面稀煙氣層溫度升高，直至火災煙氣達到動態(tài)平衡；隨著火災的發(fā)生發(fā)展，艦船封閉艙室火災由燃料控制向通風控制轉(zhuǎn)變，最終由于氧氣不足達到火災窒息熄滅的目的。

為了方便對艦船艙室火災數(shù)理模型的建立，本文提出了如下假設(shè)：

假設(shè)一：火源的熱釋放率為恒定值，忽略火源熱釋放速率的增長過程。

假設(shè)二：火災煙氣是由頂棚向艙室底部蔓延的，忽略煙氣的羽流上升和頂棚射流過程。

假設(shè)三：在艙室火災過程中由燃燒引起的空氣質(zhì)量增加量m與艙室內(nèi)初始氣體質(zhì)量相比可以忽略不計，即ρ0＝ρ-。

假設(shè)四：封閉艙室熄火時刻O2體積濃度為12%。

（a）封艙滅火初期?。╞）火災發(fā)展過程?。╟）火災穩(wěn)定燃燒圖1　艦船封閉艙室火災煙氣填充過程

1.1火災煙氣高度模型

封閉艙室火災過程中，由于與外界不存在質(zhì)量交換，在火災初期和發(fā)展過程中，以艙室下層空氣質(zhì)量質(zhì)量守恒可得：

根據(jù)Zukoski羽流方程，通過羽流卷吸離開下層控制體的質(zhì)量流率為：

聯(lián)立式（1）（2）（3）可得：

則火災初期和發(fā)展過程中，火災煙氣高度為：

1.2 封閉艙室火災熄滅時間模型

封艙滅火作為艦船滅火的有效措施之一，如何確定艙室火災熄滅時間對艦船開艙進行損害管制恢復艦船生命力有著重要的作用。本文結(jié)合艙室O2濃度、燃料的質(zhì)量損失率等建立了封閉艙室火災自熄滅時間的物理模型，能夠為艦船火災消防和損害管制提供幫助。

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由封閉艙室氧氣質(zhì)量守恒可得：

由假設(shè)3可知ρ0＝ρ-，代入式（6）可得：

聯(lián)立式（6）（7）可得

其中r0為每消耗單位質(zhì)量氧氣所燃燒掉得燃料質(zhì)量。如果封閉艙室庚烷完全燃燒時，由反應(yīng)方程式（9）可得：r0＝1/3.52

如果封閉艙室沒有完全燃燒，由反應(yīng)方程式（10）可得：r0＝5/12

2 艙室火災煙氣特性

2.1 火災煙氣溫度分布

由于封閉艙室火災煙氣迅速充滿整個艙室，且艙室底部被隔熱棉包覆，因此，本文在研究封閉艙室火災煙氣溫度分布時，以艙室氣體為研究對象，忽略艙室內(nèi)部溫度的變化（由于艙室內(nèi)部氣體之間的相互作用導致煙氣沿垂向高度的變化相對比較?。┖团撌业撞康膫鳠幔捎脝螀^(qū)域模擬建立了艙室煙氣的能量守恒方程：＝0.01kW/（m2gK）其中：

2.2火災煙氣CO濃度

火災煙氣中含有多種有毒物質(zhì)，包括CO、CO2、HCl、HF和HCN的等。研究結(jié)果表明：當CO濃度超過100ppm時，人體會產(chǎn)生頭暈、乏力等不適感；當CO濃度超過600ppm時，短期內(nèi)會引起窒息死亡。由于火災中的死亡人員約有一半是由CO中毒引起的，因此有必要對火災煙氣的組分濃度尤其是CO進行分析和預測。

本文采用GER理論利用燃空比φ與產(chǎn)物組分生成率Yco之間的關(guān)聯(lián)來預測火災煙氣產(chǎn)物的生成量。φ表示火源所消耗的燃料與空氣質(zhì)量的比值除以它們的當量比值，即

研究結(jié)果表明：在火災穩(wěn)定燃燒階段，煙氣主要成分的產(chǎn)生及消耗率是不變的，與火焰結(jié)構(gòu)無關(guān)；燃燒過程及火災煙氣組分與煙氣層內(nèi)的溫度有關(guān)，與墻體的屬性及隔熱情況無關(guān)。因此在火災穩(wěn)定燃燒之前，由Gottuk and Lattimer的相關(guān)研究可得：

3 算例分析

本文以艦船某艙室的小尺度模型為研究對象，以庚烷為著火燃料，對該封閉空間的火災煙氣特性進行了理論分析，建立了基于Matlab的艦船小尺度封閉艙室火災煙氣各種物性參數(shù)模型。艦船小尺度封閉艙室的內(nèi)尺寸為1m（L）×1m（W）×0.75m（H），其艙壁結(jié)構(gòu)符合A60標準。艙室內(nèi)氣體密度ρ0＝1.1763kg/m3，T0＝300K，Cp＝1.007kJ/（kggK）。庚烷物理性質(zhì)參數(shù)詳見表1。在對艦船小尺寸封閉艙室煙氣物性參數(shù)分析過程中，本文假設(shè)庚烷的質(zhì)量損失率保持恒定，?。?.5×10-5kg/s，此時庚烷穩(wěn)定燃燒熱釋放率Qg為：

其中x為燃燒效率，一般情況下取x＝0.7。

本文在對艙室火災煙氣特性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合Matlab7.0編程軟件，對火災空氣高度、艙室火災熄滅時間、艙室溫度以及艙室CO濃度等進行了理論分析，得到了封閉艙室火災空氣高度、CO生成率和CO濃度隨時間的變化曲線，如圖1～圖3所示。這一理論模型仿真計算結(jié)果與相同參數(shù)條件下封閉艙室庚烷火燃燒實驗結(jié)果是一致的，具有一定的參考價值。

（1）如圖1所示，封閉艙室空氣高度隨著火災的發(fā)展迅速降低。本文取艙室空氣高度0.01m時所對應(yīng)的時刻為煙氣充滿艙室的時間（由于一般來說，油盤的高度為0.01m）。因此在t＝60s時，艙室煙氣充滿整個艙室；

（2）在封閉艙室火災熄滅模型分析的基礎(chǔ)上，可得：封閉艙室火災熄滅時間tE滿足301s≤tE≤441s。

（3）在艙室溫度特性分析的基礎(chǔ)上可得：火災熄滅時艙室溫度為：T＝359K。在封閉艙室著火過程中，底部空氣在t＝60s時溫度開始上升；隨著時間的推移，封閉艙室氣體在火災煙氣的循環(huán)卷吸、浮力和壓力作用下逐步混合，形成典型的密煙氣和稀煙氣雙區(qū)域模型，封閉艙室火災達到穩(wěn)定燃燒階段；在艙室熄火時刻，艙室內(nèi)火災煙氣平均溫度為359K（84℃）。

（4）如圖3～圖4所示，封閉艙室火災煙氣CO生成率隨著時間的推移先降低后保持不變；艙室CO濃度隨著時間的推移不斷地增加。在艙室熄火時刻，艙室CO濃度介于2242ppm和3289ppm（完全轉(zhuǎn)換為CO時的濃度）之間。

綜合上述分析，封閉艙室火災具有發(fā)展速度快，火場溫度高，容易產(chǎn)生高溫有毒氣體等特點。在艙室火災發(fā)展初期，煙氣特性參數(shù)相對比較低，是滅火和人員逃生的最佳時機，因此有必要加強艦船火災的預防和監(jiān)測，爭取短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)火源，撲滅初火，最大程度的減小艦船損傷。如果初火撲滅失敗后，應(yīng)迅速組織人員撤離，采取封艙滅火的應(yīng)急措施防止火災蔓延。此外，在艙室火災熄滅后，不能立即打開艙門。此時艙室內(nèi)高溫煙氣成分復雜毒性強，一旦與外界空氣接觸容易發(fā)生火災復燃，造成艦船艙室火災蔓延。

結(jié)論

本文從理論的角度對艦船封閉艙室火災煙氣流動特性進行了分析論證，為艦船火災的撲救奠定了理論基礎(chǔ)。封艙滅火作為艦船火災的應(yīng)急手段之一，能夠有效地熄滅艙室火災。在封艙滅火之初應(yīng)該迅速組織人員的撤離，限制艙室火災的蔓延；在艙室火災熄滅之后，不能盲目打開艙門，防止艙室火災復燃。但是本文的研究是建立在庚烷的質(zhì)量損失率保持不變的基礎(chǔ)上的，與實際的封閉空間火災存在一定的差異，有待于對封閉空間火災燃燒特性進行深入的研究分析。

表1　庚烷的物理性質(zhì)

圖1　封閉艙室高度變化曲線

圖2　封閉艙室煙氣CO生產(chǎn)率變化曲線

圖3　封閉艙室CO濃度變化曲線

參考文獻

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中圖分類號：X913.4，TU92

文獻標識碼：A