袁書(shū)生，丁偉鋒，趙元立

1海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系，山東煙臺(tái)264001

2海軍航空工程學(xué)院指揮系，山東煙臺(tái)264001

細(xì)水霧抑制艦船會(huì)議室火災(zāi)的大渦模擬

袁書(shū)生1，丁偉鋒2，趙元立2

1海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系，山東煙臺(tái)264001

2海軍航空工程學(xué)院指揮系，山東煙臺(tái)264001

艦船會(huì)議室因固體可燃物多且密集，采取自動(dòng)和人工滅火措施是抑制火災(zāi)蔓延的最好方法。艦船會(huì)議室傳統(tǒng)上采用的是哈龍或惰性氣體滅火系統(tǒng)，因其固有的缺點(diǎn)，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)成為有效防止火災(zāi)蔓延的替代技術(shù)?；诠腆w可燃物熱解燃燒和火災(zāi)蔓延大渦數(shù)值模擬方法，研究了艦船會(huì)議室的門在開(kāi)啟狀態(tài)下，細(xì)水霧滅火噴頭的不同水滴平均直徑對(duì)抑制室內(nèi)火災(zāi)蔓延和煙氣運(yùn)動(dòng)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)水滴噴射初始速度為5 m/s，噴頭由自帶的溫控傳感器啟動(dòng)時(shí)，采用水滴平均直徑小于500 μm的噴頭，噴出水霧時(shí)會(huì)強(qiáng)化會(huì)議室內(nèi)火災(zāi)的初期蔓延。綜合考慮抑制室內(nèi)火災(zāi)蔓延并防止室內(nèi)電器設(shè)備受到損害，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)噴頭的水滴平均直徑選為500～750 μm較好。

艦船；損害管制；細(xì)水霧滅火系統(tǒng)；大渦模擬；固體可燃物

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1320.006.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：袁書(shū)生，丁偉鋒，趙元立.細(xì)水霧抑制艦船會(huì)議室火災(zāi)的大渦模擬［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（5）：120-127.

YUAN Shusheng，DING Weifeng，ZHAO Yuanli.Large eddy simulation of fire suppression in ship meeting room with water mist extinguishing system［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：120-127.

0　引言

艦船會(huì)議室是一個(gè)人員活動(dòng)頻繁而防火安全管理較為復(fù)雜的公共場(chǎng)所。在會(huì)議室中，一般布置有沙發(fā)、會(huì)議桌、茶幾、電視柜和地毯等，具有可燃物多、布置密集的特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，將給室內(nèi)滅火造成相當(dāng)大的困難，進(jìn)而對(duì)全艦安全帶來(lái)較大的危害。傳統(tǒng)的哈龍或惰性氣體滅火系統(tǒng)因不利于自動(dòng)和手動(dòng)滅火同時(shí)進(jìn)行，且會(huì)對(duì)環(huán)境、人員造成危害，如哈龍滅火劑對(duì)大氣環(huán)境的不良影響非常大，熱分解產(chǎn)物多為劇毒物質(zhì)；惰性氣體靠降低火場(chǎng)氧氣濃度的方式滅火，危害人員作業(yè)安全。而細(xì)水霧滅火系統(tǒng)因滅火效率高、無(wú)毒無(wú)污染、對(duì)設(shè)備無(wú)破壞，逐漸成為上述2種滅火系統(tǒng)的替代方案。

將可燃物和火災(zāi)發(fā)生過(guò)程進(jìn)行比較，艦船會(huì)議室火災(zāi)與陸上建筑物室內(nèi)的火災(zāi)相差無(wú)幾，但從火災(zāi)蔓延和滅火的角度看，前者在火災(zāi)發(fā)生時(shí)對(duì)環(huán)境造成的影響以及危害更加獨(dú)特，主要是因?yàn)椋号灤撌覂?nèi)通常處于通風(fēng)不良的狀態(tài)，排煙困難，發(fā)生火災(zāi)后室內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度更高，而且火災(zāi)蔓延劇烈；燃燒不完全，燃燒產(chǎn)物的危害性更大。鑒于艙室防火關(guān)系到艦船生命力和戰(zhàn)斗力的保持，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，需要在最短時(shí)間內(nèi)撲滅，并盡可能不損壞艦船上的其他設(shè)備，故艦船會(huì)議室的滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求更高。

從滅火戰(zhàn)術(shù)角度，只有允許滅火人員進(jìn)入發(fā)生火災(zāi)的會(huì)議室，快速發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)，才能高效滅火。當(dāng)前便于人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)、抑制火災(zāi)蔓延最有效的手段顯然屬于細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。過(guò)去研究艦船細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的滅火效果主要采用實(shí)驗(yàn)方法［1-2］，其成本高，危險(xiǎn)性大。近年來(lái)，因湍流大渦模擬方法具有信息量大、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，其在火災(zāi)研究中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

本文將針對(duì)水霧—熱煙氣兩相流動(dòng)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，考慮兩相之間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量的耦合，固體可燃物燃燒采用熱解動(dòng)力學(xué)與空間火災(zāi)蔓延相互作用模型，對(duì)水霧滅火條件下的艦船會(huì)議室內(nèi)火災(zāi)蔓延及煙氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行大渦數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上研究水滴尺寸對(duì)火災(zāi)蔓延抑制效果和室內(nèi)積水的影響。

1　數(shù)學(xué)模型與數(shù)值求解方法

針對(duì)安裝有細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的情況，描述低馬赫數(shù)下艦船會(huì)議室內(nèi)的火勢(shì)、煙氣運(yùn)動(dòng)和火災(zāi)蔓延過(guò)程的湍流瞬時(shí)控制方程組，并應(yīng)用盒式濾波器進(jìn)行Favre濾波運(yùn)算，得到大渦模擬的控制方程組，它們?cè)谥苯亲鴺?biāo)系中的形式包括如下一系列方程。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量守恒方程：

式中：Js為亞格子湍流質(zhì)量流通量；為氣體組分的化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)；為水滴蒸發(fā)的氣體組分生成源項(xiàng)，下標(biāo)s為氣體的組分。

水滴運(yùn)動(dòng)表述為

式中：md為單一水滴質(zhì)量；ud為水滴運(yùn)動(dòng)速度；ρd為水的密度；CD為水滴在氣體中運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù)；rd為水滴半徑。

式中，xd為任意時(shí)刻水滴在氣流場(chǎng)中的空間位置。

水滴蒸發(fā)表述為

式中：Ad為水滴表面積；hm為水的質(zhì)量蒸發(fā)系數(shù)；Yd為水蒸發(fā)的平衡質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為當(dāng)?shù)厮羝|(zhì)量分?jǐn)?shù)。

式中：cd為水的比熱；Td為水滴的溫度；h為水滴與氣體的對(duì)流換熱系數(shù)；hs為水滴與固體壁面的對(duì)流換熱系數(shù)；Ts為固體壁面溫度；q?r為水滴與氣體之間的輻射換熱熱流；hv為水的蒸發(fā)潛熱。和分別由下式計(jì)算：

式中，δxδyδz為計(jì)算網(wǎng)格的3個(gè)尺寸。

本文對(duì)亞格子湍流應(yīng)力、熱流通量和質(zhì)量流通量分別采用Smagorinsky模型［3］和渦擴(kuò)散模型［4］模擬，然后采用Werner-Wengle壁模型對(duì)近壁區(qū)進(jìn)行修正［5］。對(duì)于湍流燃燒則采用多步反應(yīng)的混合物分?jǐn)?shù)模型［6］模擬，輻射傳熱則運(yùn)用有限體積法［7］模擬。

模擬時(shí)，假設(shè)固體可燃物燃燒過(guò)程是熱解成為同組分的氣體可燃物，對(duì)固體可燃物燃燒采用熱解動(dòng)力學(xué)模型［8］模擬，如式（12）所示。

式中：ds/dt為熱解引起的固體表面局部移動(dòng)速率；A為熱解反應(yīng)的指前因子；E為熱解反應(yīng)的活化能；Tw為熱解固體表面的局部溫度；R為通用氣體常數(shù)。

考慮到固體熱解與空間火災(zāi)蔓延的耦合作用，空間火災(zāi)蔓延與煙氣運(yùn)動(dòng)的大渦模擬每計(jì)算3個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，進(jìn)行1次固體溫度、熱解速率和熱解表面位置的更新計(jì)算，并將得到的固體熱解速率、熱解表面位置和表面溫度作為空間火災(zāi)蔓延與煙氣運(yùn)動(dòng)大渦模擬計(jì)算的新邊界條件。采用式（13）固體沿厚度方向的局部一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程計(jì)算固體表面的溫度分布，并采用式（14）固體相變表面的邊界條件或熱量平衡關(guān)系式［9］。

式中：ρs，cs，Ts，λs和ΔHv分別為可燃固體的密度、比熱、溫度、導(dǎo)熱系數(shù)和熱解吸熱量；x為可燃固體表面內(nèi)法線方向坐標(biāo)；qc和qr分別為固體相變表面受到的火災(zāi)煙氣對(duì)流熱流密度和凈輻射熱流，由空間火災(zāi)蔓延與煙氣運(yùn)動(dòng)的大渦模擬結(jié)果得到。

當(dāng)固體表面出現(xiàn)水膜時(shí)，固體可燃物熱解停止。此時(shí)，計(jì)算新的固體溫度時(shí)考慮水膜的影響，水膜受到空間火災(zāi)蔓延和固體壁面的共同加熱作用而蒸發(fā)。

在交錯(cuò)網(wǎng)格系上對(duì)上述變換后的大渦模擬控制方程組進(jìn)行離散化。各方程在時(shí)間上的離散采用顯式二階精度的預(yù)測(cè)校正格式，在空間上的離散采用二階精度的差分格式，其中對(duì)于對(duì)流項(xiàng)在預(yù)測(cè)步采用偏向迎風(fēng)的差分格式，在校正步采用偏向背風(fēng)的差分格式，對(duì)擴(kuò)散項(xiàng)則采用中心差分格式。建立壓力的泊松方程，并采用FFT方法直接求解。

2　模擬對(duì)象與工況參數(shù)

選取與實(shí)際艦船會(huì)議室條件接近的對(duì)象，對(duì)圖1所示模擬會(huì)議室內(nèi)固體可燃物熱解和空間火災(zāi)蔓延相互之間的作用進(jìn)行大渦數(shù)值模擬。會(huì)議室的主要尺度、布置以及模擬工況等參數(shù)說(shuō)明如下：

1）模擬的會(huì)議室。

會(huì)議室主要尺度為8.0 m（長(zhǎng)）×8.0 m（寬）× 2.5 m（高）；艙壁中央的門尺度為1.8 m（高）×1.2 m（寬）；鋪板、天花板及各艙壁均為0.016 m厚的鋼板。

室內(nèi)布置包括：1個(gè)放置在中央的4.9 m（長(zhǎng)）× 3.8 m（寬）×0.2 m（厚）木制會(huì)議桌；2個(gè)分別布置在東西艙壁的2.6 m（長(zhǎng)）×0.8 m（寬）×0.4 m（高）雙人沙發(fā)，其中，一個(gè)距南側(cè)艙壁1.5 m，另一個(gè)距南側(cè)艙壁0.5 m；2個(gè)0.8 m（長(zhǎng)）×0.8 m（寬）×0.4 m（高）單人沙發(fā)，其中，一個(gè)位于南側(cè)艙壁中間，另一個(gè)位于西側(cè)艙壁靠門一側(cè)，距北側(cè)艙壁0.5 m；10個(gè)對(duì)稱布置在會(huì)議桌東西兩側(cè)的0.4 m（長(zhǎng)）× 0.3 m（寬）×0.6 m（高）木制小方凳，并且內(nèi)沿與桌外沿對(duì)齊；1個(gè)布置在東北角的1.0 m（長(zhǎng)）×0.8 m（寬）×0.80 m（高）木制電視桌；地面鋪板上覆蓋有6 mm厚的化纖地毯。

為了研究細(xì)水霧滅火系統(tǒng)抑制艦船會(huì)議室內(nèi)的火災(zāi)蔓延情況，在天花板上均勻布置有25個(gè)細(xì)水霧滅火噴頭。參考滅火系統(tǒng)的噴水強(qiáng)度，選取各噴頭的水流量值為12.8 L/min。

2）工況參數(shù)。

數(shù)值模擬時(shí)，假設(shè)點(diǎn)火源空間尺度為0.1 m× 0.1 m×0.05 m，模擬煙頭的熱水泥溫度為800℃，并放在1個(gè)雙人沙發(fā)上表面，靠近后靠背，距右扶手0.5 m，如圖1所示。

在各坐標(biāo)方向上采用均勻網(wǎng)格劃分，空-間網(wǎng)格數(shù)為128萬(wàn)個(gè)。選取不同水滴平均直徑d進(jìn)行計(jì)算，并研究不同水滴平均直徑對(duì)會(huì)議室火災(zāi)抑制的效果，包括無(wú)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)以及有細(xì)水霧滅火系統(tǒng)時(shí)250，500和750 μm不同水滴平均直徑等4種工況。

計(jì)算總時(shí)間取為3 000 s，時(shí)間步長(zhǎng)由滿足數(shù)值穩(wěn)定性要求的CFL數(shù)確定。計(jì)算從在沙發(fā)上放置點(diǎn)火源開(kāi)始，即t=0，到t=900 s時(shí)點(diǎn)火源消失。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的噴頭由自帶的溫控傳感器啟動(dòng)，啟動(dòng)溫度為74℃。計(jì)算中，會(huì)議室門完全打開(kāi)，模擬人員參與滅火情況。

假設(shè)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的噴射半錐角為50°，噴頭出口水滴平均直徑符合修正的Rosin-Rammler分布，水滴噴射的初始速度取5 m/s。計(jì)算時(shí)，當(dāng)水滴運(yùn)動(dòng)遇到熱固體壁面時(shí)，以0.5 m/s的速度在垂直固體表面和0.2 m/s的速度在水平固體表面，在隨機(jī)給定的方向水平運(yùn)動(dòng)，水霧在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)從固體壁面吸熱及蒸發(fā)。

本文使用的工具為火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS5.5，該軟件在國(guó)內(nèi)外多用于火災(zāi)工程研究，并得到驗(yàn)證［10-11］。計(jì)算中，室內(nèi)的艙壁、鋪板及天花板采用厚壁假設(shè)，即建立局部一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程計(jì)算溫度；考慮艙壁外表面及天花板表面與環(huán)境空氣之間的輻射與對(duì)流換熱，假設(shè)鋪板下表面絕熱；固體材料導(dǎo)熱系數(shù)和比熱值等參數(shù)取自美國(guó)商務(wù)部標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）網(wǎng)站火災(zāi)科學(xué)分部數(shù)據(jù)庫(kù)；取環(huán)境溫度為25°C；燃燒產(chǎn)物中取炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%，供氧充足時(shí)取火焰中產(chǎn)生的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%。

圖1　艦船會(huì)議室示意圖Fig.1Sketch of ship meeting room

3　結(jié)果與討論

圖2所示為艦船會(huì)議室的門處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)4種工況的火災(zāi)釋熱率模擬結(jié)果。由圖可以看出，在t為0～400 s時(shí)，會(huì)議室內(nèi)的火災(zāi)屬陰燃階段，火災(zāi)釋熱率Q增加非常緩慢；當(dāng)t=20 s時(shí)，模擬有遺棄煙頭的大沙發(fā)被點(diǎn)燃，其后火災(zāi)釋熱率明顯增加；當(dāng)t=462 s時(shí)，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)啟動(dòng)，然后在噴頭水流量和水滴噴射初始速度相同的情況下，水霧噴頭出口的不同水滴平均直徑對(duì)火災(zāi)釋熱率的影響出現(xiàn)了差異，噴射初期不僅釋熱率的增加速率沒(méi)有降低，反而加快了火災(zāi)蔓延，水滴平均直徑越小，效果越明顯。

圖2　會(huì)議室內(nèi)有無(wú)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)時(shí)火災(zāi)釋熱率隨時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果Fig.2The simulated heat release rate of fire in ship's meeting room with or without water mist extinguishing system

然而，當(dāng)水滴平均直徑為500和750 μm時(shí)，盡管水霧噴射初期有強(qiáng)化火災(zāi)蔓延的趨勢(shì)，但仍然降低了火災(zāi)釋熱率的峰值。當(dāng)水滴平均直徑為250 μm時(shí)，火災(zāi)釋熱率的峰值反而達(dá)到了沒(méi)有細(xì)水霧滅火時(shí)的峰值。從物理機(jī)理上分析，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)水滴平均直徑較小時(shí)，水滴受到火災(zāi)煙氣浮力作用后，下降較慢，很快在上層熱煙氣中蒸發(fā)。盡管在水滴蒸發(fā)過(guò)程中吸收熱量會(huì)降低熱煙氣溫度，從而延緩火災(zāi)蔓延，但是由于滅火初期噴射出的水霧總量小，此時(shí)熱煙氣溫度下降部位主要集中在上層空間，對(duì)靠近地面可燃物附近的熱煙氣影響不大。同時(shí)，由于火災(zāi)初期細(xì)水霧滅火產(chǎn)生的蒸汽占據(jù)了上層空間，火災(zāi)熱煙氣受到水蒸汽擠壓快速向下折射，提高了下層熱煙氣的溫度，同時(shí)增加了可燃物的熱解強(qiáng)度。

比較圖2中不同尺寸水霧對(duì)火災(zāi)釋熱率的影響還可以看出，水滴平均直徑為750 μm的細(xì)水霧噴頭抑制火災(zāi)蔓延較好。

為了說(shuō)明出現(xiàn)細(xì)水霧噴射初期反而加快火災(zāi)蔓延的原因，圖3和圖4分別給出了t=1 230和1 400 s時(shí)會(huì)議室內(nèi)4種計(jì)算工況下垂直對(duì)稱面上的煙氣溫度分布（單位：℃）。

由圖3（a）可以看出，室內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度呈現(xiàn)較為明顯的分層結(jié)構(gòu)，僅在位于西南角的大沙發(fā)靠近點(diǎn)火源附近的區(qū)域存在局部高溫區(qū)。當(dāng)t=462 s，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)啟動(dòng)后，由于處于噴射滅火初期，水霧對(duì)室內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度的大部分區(qū)域分布影響不大，包括250，500和750 μm的水滴平均直徑，無(wú)論哪種，在室內(nèi)2.2 m以下空間內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度分層結(jié)構(gòu)基本相同，但是在靠近天花板非常小的空間層內(nèi)出現(xiàn)了局部高溫，水滴平均直徑越小，對(duì)應(yīng)的局部高溫區(qū)就越大。

由圖3（b）可以看出，水滴平均直徑為250 μm時(shí)的高溫區(qū)比無(wú)水霧滅火時(shí)還要大，且該局部高溫區(qū)是封閉的，表明此時(shí)上層熱煙氣向門口流動(dòng)的趨勢(shì)較弱。以上現(xiàn)象說(shuō)明，水滴平均直徑為250 μm時(shí)，水霧蒸發(fā)較快，產(chǎn)生的熱蒸汽包住了火災(zāi)熱煙氣，延長(zhǎng)了熱煙氣在室內(nèi)的停留時(shí)間，所以當(dāng)水滴平均直徑較小時(shí)，水霧噴射初期反而強(qiáng)化了室內(nèi)火災(zāi)蔓延。圖3（c）和圖3（d）則表明，上層熱煙氣已經(jīng)具有了向外流的趨勢(shì)。

圖3　t=1230s時(shí)會(huì)議室垂直對(duì)稱面上的煙氣溫度分布Fig.3The distribution of smoke temperature on the vertical symmetric plane in ship's meeting room at t=1 230 s

圖4　t=1400s時(shí)會(huì)議室垂直對(duì)稱面上的煙氣溫度分布Fig.4The distribution of smoke temperature on the vertical symmetric plane in ship's meeting room at t=1 400 s

由圖4（a）可以看出，室內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度分層結(jié)構(gòu)仍較為明顯，僅在靠近點(diǎn)火源附近的區(qū)域存在局部高溫區(qū)。此時(shí)，水霧對(duì)室內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度的分布有了較大影響，煙氣溫度分層分布仍存在。但是，無(wú)論水滴平均直徑多大，在靠近天花板的空間層內(nèi)均出現(xiàn)了局部高溫，水滴平均直徑越小，對(duì)應(yīng)的局部高溫越高，所以當(dāng)水滴平均直徑較小時(shí)，水霧噴射時(shí)會(huì)強(qiáng)化室內(nèi)火災(zāi)的初期蔓延（圖2）。

為了進(jìn)一步說(shuō)明細(xì)水霧噴頭不同平均直徑的水滴抑制會(huì)議室內(nèi)火災(zāi)蔓延的影響，圖5分別給出了t為0～1 400 s時(shí)會(huì)議室中心位置煙氣的時(shí)均溫度垂直分布。由圖可以看出，在計(jì)算采用的噴頭水流量下，不同水滴平均直徑的水霧滅火系統(tǒng)均顯著降低了會(huì)議室內(nèi)的煙氣時(shí)均溫度，水滴平均直徑對(duì)煙氣溫度的不同影響主要是在高度高于1.5 m的上層空間，會(huì)議桌下的下層空間煙氣溫度的差異不大。當(dāng)水滴平均直徑分別為250，500和750 μm時(shí)，水滴平均直徑對(duì)煙氣溫度的影響差異很小。由該圖還可以看出，在噴頭水流量和水霧噴射初始速度相同的情況下，水滴平均直徑越大，火災(zāi)蔓延過(guò)程中室內(nèi)煙氣的時(shí)均溫度越低。

圖5　t為0～1400s時(shí)會(huì)議室中心垂線上的煙氣時(shí)均溫度分布Fig.5The distribution of smoke average temperature on the vertical line at the center of ship's meeting room between t=0 s and t=1 400 s

為了研究細(xì)水霧噴頭不同平均直徑的水滴對(duì)會(huì)議室內(nèi)電器設(shè)備造成的影響，圖6給出了t= 1 500 s時(shí)會(huì)議室桌面上的水滴密度分布（單位：kg/m2）。由圖可以看出，當(dāng)水滴平均直徑越小時(shí)，會(huì)議桌面上的積水就越多。為了解釋這個(gè)與常識(shí)矛盾的現(xiàn)象，圖7給出了t=1 400 s時(shí)3種滅火工況下會(huì)議室內(nèi)高度z=2 m水平面上的水滴密度分布。

由圖7看出，由于水霧噴射時(shí)的水滴平均直徑不同，在熱煙氣中蒸發(fā)速率不同，導(dǎo)致噴頭附近的煙氣溫度存在差異，由自帶溫控傳感器啟動(dòng)的噴頭數(shù)量也不同。如當(dāng)t=1 400 s水滴平均直徑為250 μm時(shí)，有13個(gè)噴頭啟動(dòng)；500 μm時(shí)，有12個(gè)噴頭啟動(dòng)；750 μm時(shí)，有8個(gè)噴頭啟動(dòng)。實(shí)際上，出現(xiàn)圖6情況的主要原因是，相同時(shí)間內(nèi)平均直徑小的水滴上層熱煙氣溫度較高，從而啟動(dòng)了更多的溫控噴頭。

圖6　t=1500s時(shí)會(huì)議桌面上水滴密度分布Fig.6The distribution of water droplet density on the table at t=1 500 s

圖8給出了會(huì)議室門口中心線上不同高度的區(qū)域熱煙氣溫度隨時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果。由圖可以看出，在t=462 s時(shí)，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)啟動(dòng)到t=1 200 s之間，安裝有細(xì)水霧滅火系統(tǒng)反而使門口的排煙溫度較無(wú)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)時(shí)的有所增加。在t=1 200 s后，水霧滅火僅使出口處上方（z=1.8 m）的煙氣溫度較無(wú)水霧滅火時(shí)高，使出口處下方（z=1.2 m）的煙氣溫度（約35℃）較無(wú)水霧滅火時(shí)顯著降低。從t=1 300 s開(kāi)始，水霧滅火使出口處上方（z=1.8 m）的煙氣溫度（約60℃）較無(wú)水霧滅火時(shí)也顯著下降。此時(shí)，水滴平均直徑不同，但噴頭的水霧流量和噴射的水滴初始速度相同，對(duì)出口處上方（z=1.8 m）的煙氣溫度改變影響不大。因此，從有利于人員進(jìn)出會(huì)議室進(jìn)行人工滅火角度看，水滴平均直徑為250和500 μm時(shí)效果較好。

圖7　t=1400s時(shí)會(huì)議室內(nèi)高度z=2 m水平面上的水滴密度分布Fig.7The distribution of water droplet density on the level plane of z=2.0 m at t=1 400 s

圖8　會(huì)議室門口中心線上不同高度區(qū)域煙氣溫度隨時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果Fig.8The calculated smoke temperature at different height on the center line of ship's meeting room door

綜上所述，當(dāng)噴頭水霧的流量和噴射的初始速度一定的情況下，并不是水滴平均直徑越小越好。如果水滴平均直徑小于250 μm，一方面會(huì)在水霧噴射初期強(qiáng)化火災(zāi)蔓延；另一方面，當(dāng)噴頭自帶溫控傳感器啟動(dòng)時(shí)，噴頭啟動(dòng)快，將導(dǎo)致滅火初期就會(huì)在室內(nèi)殘留大量的水，一旦泄漏到下層艙室，可能對(duì)電器設(shè)備造成損壞。此外，已經(jīng)有研究表明，水滴平均直徑接近1 000 μm時(shí)，更易在室內(nèi)地面積水［12］。比較而言，從抑制會(huì)議室火災(zāi)蔓延便于人工滅火、避免艙室內(nèi)的電器設(shè)備損壞角度看，水霧水滴平均直徑在500～750 μm之間較好。

4　結(jié)論

本文采用固體可燃物熱解燃燒模型和火災(zāi)蔓延大渦模擬方法，探討了安裝有細(xì)水霧滅火系統(tǒng)、噴射水霧初始速度5 m/s、噴射的噴頭水流量不變的艦船會(huì)議室內(nèi)，不同水滴平均直徑對(duì)門處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)抑制室內(nèi)火災(zāi)蔓延和煙氣運(yùn)動(dòng)的影響，并得到結(jié)論如下：

1）水滴平均直徑小于500 μm時(shí)，噴射的水霧初期會(huì)強(qiáng)化室內(nèi)火災(zāi)的蔓延。

2）當(dāng)噴頭由自帶的溫控傳感器啟動(dòng)時(shí)，水滴平均直徑越小，相同火災(zāi)蔓延時(shí)間啟動(dòng)的水霧噴頭越多。

3）綜合考慮抑制會(huì)議室的火災(zāi)蔓延、便于人工滅火、防止艙室內(nèi)電器設(shè)備損壞等因素，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的水滴平均直徑應(yīng)在500～750 μm之間選取。

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Large eddy simulation of fire suppression in ship meeting room with water mist extinguishing system

YUAN Shusheng1，DING Weifeng2，ZHAO Yuanli2
1 Department of Airborne Vehicle Engineering，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China
2 Department of Command，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China

Solid combustibles in the meeting rooms of ships are numerous and densely packed.If a fire occurs，it is preferable for automated fire extinguishers and manual fire fighting methods to be used at the same time.If the situation demands that firefighters go to the scene，a water mist fire suppression system is necessary.In this paper，a model based on the pyrolysis kinetics of solid combustibles and the Large Eddy Simulation（LES）are used to investigate fires in an open-door ship's meeting room with a water mist fire suppression system，and the effects of different diameters of water droplets on the spread of the fire and the motion of the smoke are obtained.The simulated conditions are such that the initial velocity of the droplets equals 5 m/s，and the water mist fire suppression system is activated by the temperature sensors on the sprayers.When the average diameter of water droplets is less than 500 μm，the fire in the ship's meeting room is enhanced in the first stages of spraying.In order to meet the needs of both suppressing the fire and protecting the electric equipment，it is suitable for the average diameter of the water droplets to be between 500 μm and 750 μm.

ship；damage control；water mist fire suppression system；Large Eddy Simulation（LES）；solid combustibles

U664.88

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.018

2015-11-23網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-9-21 13:20

袁書(shū)生，男，1963年生，博士，教授。研究方向：湍流燃燒實(shí)驗(yàn)與模擬研究。

E-mail：yuanshusheng@tsinghua.org.cn

丁偉鋒（通信作者），男，1979年生，博士，講師。研究方向：裝備安全管理與技術(shù)。

E-mail：dingweifeng1029@sina.com