肖霞，石芳菲

(中國船舶重工集團第七二六研究所，上海 201108)

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通風(fēng)方式對大空間火災(zāi)吸氣式煙霧探測效果的影響

肖霞，石芳菲

(中國船舶重工集團第七二六研究所，上海 201108)

采用模擬仿真技術(shù)分析大空間發(fā)生火災(zāi)時，不同機械通風(fēng)方式下，煙霧流動的特征規(guī)律，在一個防火分區(qū)內(nèi)計算2種機械通風(fēng)方式下探測響應(yīng)時間。結(jié)果顯示，側(cè)面送風(fēng)方式響應(yīng)時間較頂上送風(fēng)方式長，側(cè)面送風(fēng)對整個空間煙霧擴散影響較大，在側(cè)面送風(fēng)方式下，可以采用較小間距的采樣孔布置方案，以提高探測效率，縮短響應(yīng)時間。

大空間；機械通風(fēng)；吸氣式煙霧探測；響應(yīng)時間

大型艦船內(nèi)大空間不執(zhí)行任務(wù)時，大空間往往沒有人員值守，一旦設(shè)備漏油并發(fā)生火災(zāi)，對艦船安全將產(chǎn)生致命的影響。大空間內(nèi)放置多項設(shè)備，遮擋現(xiàn)象嚴(yán)重[1]，為此采用主動吸氣式感煙探測系統(tǒng)作為早期火災(zāi)探測報警的手段。吸氣式感煙探測器以其早期快速探測的優(yōu)勢，非常適合安裝在大空間場所，其中安裝的吸氣式火災(zāi)探測系統(tǒng)的具體設(shè)置要結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范，也要考慮該場所的通風(fēng)系統(tǒng)的布置對其氣流和煙霧蔓延的影響。全尺度火災(zāi)試驗是研究火災(zāi)煙霧蔓延和探測效果最直接的方法，但是全尺寸火災(zāi)實驗是一種毀壞性實驗，實驗成本很高，產(chǎn)生的煙霧毒氣對人體和環(huán)境有害，且具有一定的危險性。為此，考慮采用FDS仿真軟件分析通風(fēng)氣流影響下的煙霧流動特征，計算吸氣式探測響應(yīng)時間[2]。

1 設(shè)計仿真計算模型

仿真的空間結(jié)構(gòu)模型為一個方空腔模型，模擬大空間某防火分區(qū)，模型尺寸設(shè)為長×寬×高=59 m×27 m×8 m。艦船大空間存在2種通風(fēng)方式，上側(cè)面送風(fēng)，下側(cè)面回風(fēng)；頂上送風(fēng)，下側(cè)面回風(fēng)。通風(fēng)口均設(shè)有172個，送風(fēng)口86個，回風(fēng)口86個，根據(jù)實際換氣速度，計算出風(fēng)口風(fēng)速均3.44 m/s，風(fēng)口尺寸為0.25 m×0.25 m。見圖1。

靠近中心位置設(shè)置一個小型油盤，模擬大空間初期火災(zāi)，油盤尺寸為0.25 m×0.25 m。采用穩(wěn)定火源功率，為500 kW/m2，模擬計算時間為600 s[3]。根據(jù)《吸氣式感煙探測器設(shè)計、施工及驗收規(guī)范》(DB11/1026—2013)中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計探測系統(tǒng)布局，仿真模型中吸氣式煙霧探測器布置見圖2，其中黑色圓點為采樣孔，黑線為采樣管網(wǎng)，采樣孔之間間距為8 m。

2 計算分析

2.1 大空間火災(zāi)煙霧蔓延特征研究

大空間火災(zāi)時，煙霧蔓延的驅(qū)動力有燃?xì)獾母×?、膨脹力及通風(fēng)系統(tǒng)的影響等[4]。由于空間高大開闊，煙霧在氣流影響下彌散過程中的降溫效果明顯，將造成煙霧運動速度更趨緩慢，也將增加煙霧從火源位置到達(dá)采樣孔的時間，這些原因均將增加吸氣式煙霧探測器的響應(yīng)時間。因此，有效認(rèn)識通風(fēng)系統(tǒng)影響下煙霧蔓延的特征是煙霧探測設(shè)計的基礎(chǔ)[5-6]。在采樣孔高度即7.5 m高度計算煙霧濃度值。不同時刻采樣孔高度的煙霧濃度分布見圖3。

由圖3可知，無論哪種通風(fēng)方式，煙霧較難聚集，氣流對煙霧稀釋作用明顯，而這種作用，在側(cè)面送風(fēng)方式下更為明顯，在240 s時刻，大半空間彌漫有煙霧，而特定區(qū)域濃度相對較小，而頂上送風(fēng)方式下煙霧相對較集中，在特定區(qū)域濃度上升明顯，稀釋作用較弱，利于探測[7]。

在頂上送風(fēng)方式下，煙霧向上蔓延速度明顯較快，到達(dá)采樣孔時間較短，煙霧容易聚集，假設(shè)煙霧從同一位置采樣孔傳輸至主機時間0相同，則在頂上通風(fēng)方式時，探測效果明顯較好。

4個探測主機探測到的煙霧濃度變化見圖4。由圖4可得，在火災(zāi)持續(xù)發(fā)生過程中，煙霧濃度呈現(xiàn)振蕩趨勢，數(shù)值上升較小，說明煙霧難以集聚。2種送風(fēng)方式靠近火源的探測主機1均首先達(dá)到報警閾值0.2%obs/m，頂上送風(fēng)方式下，探測主機3檢測濃度也上升明顯，由于頂上氣流切斷作用，煙霧向四周蔓延的趨勢不明顯，煙霧在主機1和3區(qū)域聚集，較易探測到火災(zāi)。在側(cè)面送風(fēng)方式下，探測主機3的檢測濃度也隨之略有變化，但由于側(cè)面通風(fēng)口的氣流驅(qū)動作用，煙霧很快向四周蔓延，濃度降低，無法達(dá)到報警閾值。比較兩者濃度變化趨勢，煙霧在頂上送風(fēng)方式下較易蔓延至探測器采樣孔，并呈現(xiàn)局部聚集狀態(tài)[8]。

2.2 吸氣式煙霧探測報警響應(yīng)時間計算和分析

吸氣式煙霧探測器主要由氣體采樣管網(wǎng)和探測主機2部分組成，氣體采樣管上設(shè)置有采樣孔，由于探測主機內(nèi)吸氣作用，管網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，形成一個穩(wěn)定的氣流。被保護區(qū)域內(nèi)的空氣樣品入采樣孔，被濾掉灰塵后進(jìn)入激光探測腔。在探測腔內(nèi)特定的位置上安裝光源及接收器，激光源發(fā)出的光束照射到空氣樣品上，經(jīng)三維成像將火災(zāi)凝團與水分子團、灰塵等粒子區(qū)分。如果樣品中有煙霧凝團存在，光束將前向散射，散射光線經(jīng)凹面反光鏡反射到高靈敏度光接收器，所產(chǎn)生散射的強弱變化量接受測量后經(jīng)過處理計算，并結(jié)合測得的散射光信號脈沖數(shù)，空氣樣品中的煙霧凝團量。這些數(shù)據(jù)經(jīng)“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”技術(shù)處理，對散的強度、角度、偏振等各參數(shù)綜合分析，與預(yù)先設(shè)定的報警閾值比較，如霧濃度達(dá)到警報級別則發(fā)出警報。

檢測吸氣式煙霧探測系統(tǒng)的設(shè)計是否為最優(yōu)，應(yīng)對其響應(yīng)時間進(jìn)行計算，不同通風(fēng)方式，同樣的采樣孔柵格大小，對探測器響應(yīng)時間的影響進(jìn)行仿真模擬計算，結(jié)果見表1。

表1 2種通風(fēng)方式探測時間計算結(jié)果

計算結(jié)果顯示，側(cè)面送風(fēng)報警響應(yīng)時間較頂上送風(fēng)長，側(cè)面送風(fēng)對整個空間煙霧擴散速度影響較大，由于大空間火災(zāi)煙霧在較短時間內(nèi)向整個空間蔓延，在探測器內(nèi)煙霧濃度難以上升達(dá)到報警值，因此，報警響應(yīng)時間較長。在側(cè)面送風(fēng)方式下，可采用較密的采樣孔柵格能有效縮短探測響應(yīng)時間。在送風(fēng)方式改變成側(cè)面送風(fēng)的情況下，可以采用較密的采樣孔布置方案，或者調(diào)整探測器的靈敏度，以提高探測效率，縮短響應(yīng)時間。

3 結(jié)論

1)無論何種通風(fēng)方式，發(fā)生火災(zāi)時大空間內(nèi)煙霧較難聚集，較難達(dá)到探測報警濃度閾值，采用較密的采樣孔柵格能有效縮短探測響應(yīng)時間，提高探測效率。

2)該模擬項目只針對通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的氣流對探測效果的影響，其他遮擋、運動等因素的影響將在后續(xù)工作中不斷完善。

[1] LEBLANE D. Fire environments typical of navy ships[D]. Worcester Polytechnic Institute，1998：19-22．

[2] McGRATTAN K, KLEIN B．Fire dynamics simulator(version 5)user’s guide[M]．National Institute of Standards and Technology，U.S. Department of Commerce，2008.

[3] McGRATTAN K， HOSTIKKA S. Fire dynamics simulator(Version 5) technical reference guide[M]．National institute of standards and technology.U．S．Department of Commerce，2008．

[4] 蘇石川，王亮，聶宇宏，等.某船舶機艙火災(zāi)發(fā)展過程的數(shù)值模擬與策略分析[J].消防科學(xué)與技術(shù).2009，28(1)：15-19．

[5] 范維澄，王清安，姜馮輝，等.火災(zāi)學(xué)簡明教程[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1995．

[6] 陳國慶，陸守香，莊磊.船舶機艙油料火災(zāi)的發(fā)展過程研究[J].中圖科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報．2006，36(1)：91-95．

[7] 鄭春生,船舶火災(zāi)及滅火救援的探討[J]，消防科學(xué)與技術(shù)，2011(6):536-540.

The Influence of Ventilation Mode on Aspirating Smoke Detection for Large Space Fire

XIAO Xia, SHI Fang-fei

(No.726 Research Institute of China Shipbuilding Industrial Corporation, Shanghai 201108, China)

By modeling and simulation of the fire scenario for large space, the characteristics of smoke flow with different mechanical ventilation mode was analyzed, and the detection response times using two ventilation modes in the same fire compartment was calculated. Results demonstrated that the response time with sidewall air supply is longer than roof air supply, and the way of sidewall air supply plays an important role in the smoke spread in whole space, with which the smaller distance layout pattern of sampling aperture could be used to improve the detection efficiency and reduce the response time.

large space; mechanical ventilation; aspirating smoke detection; response time

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.020

2017-01-18

國家部委基金資助項目

肖霞(1985—)，女，碩士，工程師

研究方向：艦船火災(zāi)探測技術(shù)

U662

A

1671-7953(2017)03-0091-03

修回日期：2017-03-07