顧舟 鄭徐俊 何志霖(上海海事大學(xué),上海 201306)

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基于FDS的船舶機艙火災(zāi)的數(shù)值模擬研究

顧舟 鄭徐俊 何志霖
(上海海事大學(xué),上海 201306)

【摘 要】本文基于FDS軟件平臺,采用大渦模擬方法對某船舶機艙火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展過程進(jìn)行計算機數(shù)值模擬。根據(jù)IMO標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)熱釋放速率大小定為1MV、4MV及6MV,本文將考慮這三種標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)規(guī)模,對船舶機艙火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程中機艙內(nèi)溫度變化和煙氣濃度變化進(jìn)行模擬研究。

【關(guān)鍵詞】機艙火災(zāi) 溫度 CO濃度

1 研究對象

本文選用某結(jié)構(gòu)吃水載重量為45800噸的多用途散貨船船舶機艙作為機艙火災(zāi)及人員疏散研究的研究對象。下表1提供了該船舶的主要參數(shù)。

由于實際船舶機艙設(shè)備密集且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要將船舶機艙進(jìn)行簡化后，通過FDS軟件平臺建立船舶機艙模型，如下圖1所示。

2 火源大小設(shè)定

表1 船舶主要參數(shù)

表2 機艙主要邊界參數(shù)

表3 高溫對主機的影響

表4 人體對高溫的忍受時間

表5 不同CO濃度對人員的影響

按文獻(xiàn)得知，油池火最大熱釋放速率計算公式為:

式中:Q——最大火災(zāi)熱釋放速率，kW；m∞''——油池火漸進(jìn)質(zhì)量燃燒率，g·m-2·s-1；k'——有效吸收系數(shù)； D——油池的直徑，m；ΔHc——燃料的燃燒熱，kJ·g-1；Xchem——化學(xué)燃燒效率；計算求得油池直徑為1m、2m和2.5m。

3 邊界條件的設(shè)定

機艙艙壁、甲板等均為鋼結(jié)構(gòu)，其余機艙的主要邊界參數(shù)如下表2所示。

4 機艙火災(zāi)過程的數(shù)值分析

4.1機艙內(nèi)溫度數(shù)值分析

4.1.1 溫度隨時間的變化規(guī)律

本文共模擬1MW、4MW和6MW三種火災(zāi)規(guī)模，取火源中心上方1.5m處為監(jiān)測點，可觀察機艙內(nèi)溫度隨時間的變化規(guī)律。

根據(jù)上圖2可得到，在火災(zāi)初期，機艙溫度迅速升高，三種火災(zāi)分別在該監(jiān)測點處100s、150s、200s左右達(dá)到充分燃燒階段，此時溫度達(dá)到最高值，標(biāo)志著機艙處于危險狀態(tài)；而在衰退階段，溫度會逐漸降低。表3給出了高溫對主機的危害情況。

可得，當(dāng)火源大小為1MW，在火災(zāi)發(fā)生后100s時，主機底部1.5m處溫度達(dá)450℃，造成主機無法運作；當(dāng)火源大小為4MW，在火災(zāi)發(fā)生后約50s時，主機已無法正常工作，而發(fā)展到150s時，主機附近溫度超過850℃，主機表面因高溫受熱變形，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損；6MW甚至?xí)l(fā)報廢情況。

4.1.2 溫度隨高度的變化規(guī)律

(1)火源處溫度隨高度的變化規(guī)律。本文在火源中心處垂直方向1.5m、2.5m、3.5m、4.5m、5.5m、6.5m、7.5m處共設(shè)置7個監(jiān)測點，具體如圖3。

圖3中，在火源上方0～4.5m處，曲線梯度較大，溫度較高，且在250s內(nèi)會對主機及機艙鋼結(jié)構(gòu)表面造成嚴(yán)重危害；而在4.5～7.5m處，曲線梯度較小，溫度較低，可見，火源中心垂直方向4.5m處為溫度的拐點，在機艙上下平臺中，溫度由于受到火源燃燒時火焰高度的影響而出現(xiàn)分層現(xiàn)象，并可以通過模擬認(rèn)定火源中心上方0～4.5m處為主機高溫危險區(qū)域。

(2)樓梯處溫度隨高度的變化規(guī)律。當(dāng)機艙火災(zāi)發(fā)生后，高溫會對人體產(chǎn)生嚴(yán)重影響，下表4給出了人體對高溫的極限忍受時間。

可見當(dāng)環(huán)境溫度高于60℃時，會對人體造成傷害；而當(dāng)高于300℃時，人員會處于絕對危險狀態(tài)。鑒于高溫會嚴(yán)重傷害人體，除了研究溫度對主機產(chǎn)生的影響，還需研究它對人員的影響，本文則在離火源較遠(yuǎn)另一側(cè)樓梯口垂直方向七處共設(shè)置10個監(jiān)測點，分析人員在移動過程中溫度對人員的影響，如下圖4所示。

已知，當(dāng)機艙環(huán)境溫度高于60℃時，會對人體造成傷害，因此，可將60℃作為人員的安全臨界溫度值，并得出以下結(jié)論:當(dāng)火災(zāi)規(guī)模為1MW時，人員在450s內(nèi)撤離，最為安全；當(dāng)火災(zāi)規(guī)模為4MW時，人員最佳疏散時間為0～250s；當(dāng)火災(zāi)規(guī)模為6MW時，人員最佳疏散時間為0～150s。

4.2 火災(zāi)煙氣的蔓延情況

℃以6MW火災(zāi)為例，可通過FDS中的smokeview可視軟件觀察機艙火災(zāi)煙氣的蔓延規(guī)律，如下圖5所示。

圖5反映了火源大小為6MW時，火災(zāi)煙氣在不同時刻的分布情況。

4.3 CO濃度隨高度的變化規(guī)律

雖然機艙發(fā)生火災(zāi)時，高溫火災(zāi)煙氣包含SO2、NO2、HCl和HCN等多種有毒有害氣體，但通常所含濃度不高，短時間內(nèi)不會對人員身體造成傷害，而CO2雖然濃度很高，但毒性較小。通過查閱大量火災(zāi)統(tǒng)計資料，人員因CO窒息中毒死亡的人數(shù)占全部死亡人員約70%，下表5給出了人員在吸入不同CO濃度時的反應(yīng)情況。

圖6可以發(fā)現(xiàn)在火災(zāi)發(fā)展過程中，在樓梯口垂直方向0～7.5m處，CO濃度隨高度的增加而增大，這是由于在火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)煙氣會先隨著燃燒向上運動，等到上層平臺的煙氣聚積到一定程度后，再向下運動并且向四周擴散，因此CO主要在高層空間運動，所處位置越高，濃度也越大；而在7.5～10.5m處，CO濃度則隨高度的增加而減小，這是因為在機艙上甲板處有4個自然通風(fēng)口和2個機械通風(fēng)口，由于O2有所補給，CO濃度也相應(yīng)有所下降。

5 結(jié)語

(1)當(dāng)火源大小為1MW，在火災(zāi)發(fā)生后100s時，主機因高溫?zé)o法運作；當(dāng)火源大小為4MW，在火災(zāi)發(fā)生后約50s時，主機無法正常工作，而發(fā)展到150s時，主機表面因高溫受熱變形，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損；當(dāng)火源大小為6MW，火災(zāi)發(fā)生后20s時，主機無法運作，而發(fā)展到80s時，柴油主機則因高溫完全報廢。(2)在火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)煙氣會首先隨著燃燒向上運動，當(dāng)上層平臺的煙氣聚積到一定程度后，再向下運動并且向四周擴散，因此煙氣主要在高層空間運動，所處位置越高，溫度越高，CO濃度也越大，能見度則越小。

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