張玲玲，李玉峰，張宏

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015)

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導(dǎo)彈意外點(diǎn)火火災(zāi)特性數(shù)值分析

張玲玲，李玉峰，張宏

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015)

為掌握導(dǎo)彈意外點(diǎn)火的火災(zāi)特性，采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)不同位置火源點(diǎn)的彈藥艙進(jìn)行三維建模，通過(guò)計(jì)算及仿真的形式再現(xiàn)火災(zāi)場(chǎng)景，獲得被研究彈藥艙內(nèi)各探測(cè)點(diǎn)處溫度、壓力以及煙霧質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、參數(shù)變化規(guī)律等，掌握被研究彈藥艙導(dǎo)彈意外點(diǎn)火火災(zāi)特性規(guī)律。

導(dǎo)彈；三維建模；意外點(diǎn)火；火災(zāi)特性

彈藥艙是艦船的重要艙室，針對(duì)其高危險(xiǎn)性和易爆炸特點(diǎn)，以火災(zāi)學(xué)、燃燒學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、熱力學(xué)等相關(guān)理論為基礎(chǔ)，采用性能化消防設(shè)計(jì)的理念，運(yùn)用被廣泛認(rèn)可的分析工具和方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件建模、仿真的形式再現(xiàn)火災(zāi)場(chǎng)景，得到火災(zāi)發(fā)生后艙內(nèi)溫度、壓力以及煙霧濃度等場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)；通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果分析，獲得彈藥艙內(nèi)各測(cè)點(diǎn)處相應(yīng)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、變化情況，分析典型火源情況下各參數(shù)變化的反應(yīng)延遲時(shí)間、變化規(guī)律、參數(shù)在典型時(shí)間所能達(dá)到的閾值等，最終獲得彈藥艙導(dǎo)彈意外點(diǎn)火火災(zāi)特性規(guī)律。

1 艙室模型與火源設(shè)置

彈藥艙艙室為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，艙室內(nèi)部尺寸為：長(zhǎng)12 m，寬8 m，高3.5 m，艙室兩側(cè)壁面上部各有6個(gè)對(duì)稱分布的風(fēng)口，各風(fēng)口尺寸均為0.3 m×0.25 m，艙室門(mén)所在的一側(cè)風(fēng)口為進(jìn)風(fēng)口，對(duì)面為出風(fēng)口，風(fēng)口的風(fēng)速為2.5 m/s，風(fēng)溫20 ℃。艙室內(nèi)地面上布置有6彈藥架。按實(shí)際尺寸用軟件ICEM CFD建模見(jiàn)圖1。

在彈藥艙內(nèi)距地面高3.2 m的平面上，布置有溫度、煙霧和壓力傳感器，用于參數(shù)采集，采樣周期0.2 s，采樣頻率5 Hz。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

1.1 火源位置設(shè)置

常規(guī)狀態(tài)下彈藥艙艙門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，本文只研究在艙門(mén)關(guān)閉情況下，導(dǎo)彈意外點(diǎn)火的火災(zāi)特性。此時(shí)，整個(gè)艙室處于相對(duì)密閉狀態(tài)，僅依靠艙室兩側(cè)的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口進(jìn)行通風(fēng)換氣，艙室內(nèi)的彈藥布置基本屬于兩側(cè)對(duì)稱，艙室中部是典型位置。艙室中部導(dǎo)彈誤點(diǎn)火，火焰噴口朝向艙室進(jìn)風(fēng)口或出風(fēng)口一側(cè)，見(jiàn)圖3、4。

1.2 火源大小設(shè)置

將某種常規(guī)形式導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)形成的火焰噴射狀態(tài)作為火源，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)噴口平均總壓力7.5 MPa，工作時(shí)間5 s，總溫3 200 K，喉部直徑80 mm、出口直徑215 mm、擴(kuò)張角15°，擴(kuò)張比7.22，其中噴管形狀見(jiàn)圖5，噴口壓力和時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖6。

2 計(jì)算過(guò)程

2.1 網(wǎng)格劃分

利用ICEM CFD軟件創(chuàng)建2種工況下的幾何模型，然后對(duì)2個(gè)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且在噴管的位置進(jìn)行網(wǎng)格加密。將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入fluent求解器進(jìn)行計(jì)算。

2.2 計(jì)算方法

Fluent求解器中使用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型，該模型的控制方程如下。

1)質(zhì)量守恒方程。

(1)

式中：u，v，w為X、Y、Z3個(gè)方向的速度分量。

2)Navier-Stokes方程。

X方向上的動(dòng)量守恒方程為

(2)

Y方向上的動(dòng)量守恒方程為

(3)

Z方向上的動(dòng)量守恒方程

(4)

式中：u，v，w為橫向、縱向、垂直3個(gè)方向的速度分量；x、y、z為3個(gè)速度分量的方向；μ為流體動(dòng)力粘度；ρ為流體密度；p為流體微元體上的壓力；τxx,τxy,τxz等為因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力的分量。

3)能量方程。

(5)

4)湍動(dòng)能方程。

(6)

式中：Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε，C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk和σε分別為湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk和Sε為用戶定義的源項(xiàng)。

在近壁區(qū)域，流動(dòng)可能處于層流狀態(tài)，此時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來(lái)求解此處流動(dòng)問(wèn)題。

5)組分輸運(yùn)方程。

(7)

式中：Yi為組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ji為組分i的質(zhì)量擴(kuò)散通量；Ri為化學(xué)反應(yīng)中組分i的凈生成速率；Si為離散項(xiàng)及用戶定義的源項(xiàng)導(dǎo)致的組分i的額外生成速率。

3 結(jié)果與分析

模擬時(shí)間為198 s，測(cè)點(diǎn)采樣周期為0.2 s。

3.1 火焰噴口朝向進(jìn)風(fēng)口

艙室中部導(dǎo)彈意外點(diǎn)火，火焰噴口朝向進(jìn)風(fēng)口一側(cè)，艙門(mén)一側(cè)是出風(fēng)口。模擬后得到的壓力、溫度、CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的特性曲線。

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)稱分布在艙室4個(gè)角落的壓力測(cè)點(diǎn)，壓力隨時(shí)間不斷上升，并且上升曲線一致，說(shuō)明艙室內(nèi)壓力分布及其均勻。各點(diǎn)壓力在0～0.8 s呈急劇增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且達(dá)到峰值148 kPa，從0.8～5.0 s壓力下降，從5.0～5.5 s壓力沿著比較陡峭的直線急劇下降。導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，在0.1 s時(shí)入口處壓力達(dá)到最大值，為7.5 MPa，而室內(nèi)壓力在0.8 s達(dá)到峰值，滯后了0.7 s。5.0～5.5 s入口給定的壓力下降，室內(nèi)外壓差下降，氣流驅(qū)動(dòng)力變小，通過(guò)出口的質(zhì)量流量變小，壓力迅速下降，直到室內(nèi)外壓力相等。

溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)T2，T8，T1，T7在5.0s左右時(shí)均達(dá)到峰值，并且峰值依次降低，此時(shí)正是入口壓力下降的時(shí)刻，T2，T8，T1，T7均位于角落處，通風(fēng)不暢溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)T4，T6，T3，T5在5.2 s達(dá)到峰值，并且峰值依次降低。

煙霧主要以CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基準(zhǔn)，圖7表明，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小依次是測(cè)點(diǎn)S4，S2，S3，S1。測(cè)點(diǎn)S4,S2CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最先達(dá)到峰值8%，其次是測(cè)點(diǎn)S3,S1達(dá)到峰值7.5%。測(cè)點(diǎn)4、2個(gè)靠近出風(fēng)口一側(cè)，此處燃燒不充分，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，測(cè)點(diǎn)S3，S1靠近進(jìn)風(fēng)口一側(cè)，能夠及時(shí)補(bǔ)充燃燒所需的氧氣，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。

不同時(shí)刻的溫度見(jiàn)圖8，最高溫度約1 600 K。由于火源位置在艙室中部，積熱和煙霧會(huì)很快從2個(gè)方向消散，并且在進(jìn)風(fēng)口處外界冷空氣作用下，這些積熱和煙霧很快被稀釋，最終與外界趨于一致。圖9是截面y=1 m火災(zāi)初期典型時(shí)刻壓力云圖。由圖9可見(jiàn)，各個(gè)時(shí)刻艙室內(nèi)壓力基本趨于均勻。

綜上所述，艙室中部導(dǎo)彈意外點(diǎn)火，火焰噴口朝向進(jìn)風(fēng)口一側(cè)時(shí)，室內(nèi)壓力趨于均勻，壓力大小基本相等?；鹪丛谥虚g，利于熱量消除，溫度也大幅度下降。溫度、CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布在監(jiān)測(cè)面上基本對(duì)稱。

3.2 火焰噴口朝向出風(fēng)口

艙室中部導(dǎo)彈意外點(diǎn)火，火焰噴口朝向出風(fēng)口一側(cè)，艙門(mén)一側(cè)是進(jìn)風(fēng)口。模擬后得到的壓力、溫度、CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的特性曲線對(duì)稱分布在艙室4個(gè)角落的壓力測(cè)點(diǎn)，壓力隨時(shí)間不斷上升，并且上升趨勢(shì)一致，說(shuō)明艙室內(nèi)壓力分布及其均勻。各點(diǎn)壓力在0～1 s呈急劇增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且達(dá)到峰值180.8 kPa，從1.0～5.0 s壓力下降，從5.0～5.2 s有一個(gè)急劇的峰起，5.2～5.5 s壓力沿著比較陡峭的直線急劇下降。導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，在0.1 s時(shí)入口處壓力達(dá)到最大值7.5 MPa，而室內(nèi)壓力在1.0 s時(shí)達(dá)到峰值，滯后了0.9 s，在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的高溫高壓氣體，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了室外空氣的流通作用，持續(xù)不斷讓室內(nèi)壓力變大。5.0～5.5 s入口給定的壓力下降，室內(nèi)外壓差下降，氣流驅(qū)動(dòng)力變小，通過(guò)出口的質(zhì)量流量變小，壓力迅速下降，直到室內(nèi)外壓力相等。

溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)T1，T7在5 s左右時(shí)均達(dá)到峰值，其他6個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)大約在5.4 s達(dá)到峰值，其中T2達(dá)到的溫度峰值最低。

CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小依次是測(cè)點(diǎn)S3，S1，S4，S2。同樣測(cè)點(diǎn)S2靠近艙門(mén)，迅速被外界冷空氣稀釋掉。測(cè)點(diǎn)S3最高CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5.6%。

不同時(shí)刻的溫度云圖如圖10所示，噴管對(duì)著出風(fēng)口。但是最高溫度并沒(méi)有比噴管對(duì)著進(jìn)風(fēng)口的情況有所降低，說(shuō)明室外的空氣流沒(méi)有與熱空氣充分換熱。甚至在60 s時(shí)，噴管上方位置的溫度仍達(dá)到1 500 K，在艙室角落處的溫度也明顯要高于周?chē)h(huán)境溫度。

不同時(shí)刻的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)噴管上方的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，在60 s時(shí)也沒(méi)有完全稀釋掉。

圖12是截面y=1 m上火災(zāi)初期不同典型時(shí)刻壓力云圖。由圖18可見(jiàn)，在靠近進(jìn)風(fēng)口并且遠(yuǎn)離艙門(mén)的艙室角落，壓力較高。從整個(gè)艙室來(lái)看，壓力很快地趨于均勻。

綜上所述，艙室中部導(dǎo)彈意外點(diǎn)火，火焰噴口朝向出風(fēng)口一側(cè)時(shí)，室內(nèi)壓力大小基本相等，分布大致均勻。在噴管上方和角落處，積熱形成溫度較高、CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒(méi)有很快被外界冷空氣稀釋掉，明顯比周?chē)h(huán)境高。

4 結(jié)論

1)算例中4個(gè)角落處的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化趨勢(shì)基本完全一致，并且艙室內(nèi)的壓力快速分布均勻，說(shuō)明導(dǎo)彈意外點(diǎn)火時(shí)，壓力不受火焰噴口的朝向影響。

2)算例中溫度先上升后下降，變化趨勢(shì)基本相同，達(dá)到最大峰值分別為1 138 K、1 880 K。當(dāng)噴口朝向出風(fēng)口時(shí)，出風(fēng)口為壓力出口，艙室內(nèi)空氣僅依靠壓差排出艙室，艙室內(nèi)達(dá)到的峰值溫度較高。

3)各測(cè)點(diǎn)溫度和壓力僅在火災(zāi)發(fā)生初期變化速率較大。由于進(jìn)風(fēng)口強(qiáng)制進(jìn)風(fēng)，艙室內(nèi)的溫度在火災(zāi)初期是不均勻的，在艙室角落和出風(fēng)口一側(cè)容易形成積熱。由于艙室內(nèi)外空氣換熱較快，艙室內(nèi)的溫度很容易降低。

4)對(duì)于煙霧濃度來(lái)說(shuō)，僅在噴管上方煙霧濃度較高，當(dāng)噴口朝向出風(fēng)口時(shí)，煙霧消散相對(duì)較慢。

[1] 李玉峰，張宏，霍巖.有通風(fēng)彈藥艙內(nèi)慢速火災(zāi)特性數(shù)值研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2015,37(12):160-165.

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Numerical Analysis of the Fire Characteristic of Suddenness Blast-off by Missile

ZHANG Ling-ling, LI Yu-feng, ZHANG Hong

(No. 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China)

In order to master the fire characteristic which is suddenness blast-off by the missile, the criterion of k-epsilon method was used to establish the 3D-model of the burning point in different ammunition cabin position. The scene of fire could be reappeared by computer simulation, and the real time data and the law of parametric variation could be obtained about the temperature, pressure and smog concentration of the measuring point in the tested ammunition magazine, so as to get the fire characteristic which is suddenness blast-off by the missile in the tested ammunition magazine.

missile; 3D model; suddenness blast-off; fire characteristic

U698.4

A

1671-7953(2017)03-0016-05

2017-01-18

張玲玲(1984—)，女，碩士，工程師

研究方向：火災(zāi)安全

修回日期：2017-03-07