張玲玲，王 凱，張 宏

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 海軍駐鄭州地區(qū)軍事代表室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

彈藥艙是艦船的重要艙室，屬于高危險(xiǎn)性和易爆炸區(qū)域，其安全性關(guān)乎彈藥艙發(fā)生災(zāi)情時(shí)載艦的戰(zhàn)斗力和生命力。艦船火災(zāi)發(fā)生原因復(fù)雜，危害性大，深入了解這類(lèi)火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)探測(cè)設(shè)備在火災(zāi)發(fā)生初期探測(cè)報(bào)警，以便在事態(tài)嚴(yán)重之前采取有效應(yīng)對(duì)措施[1]。本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)通過(guò)公共壁面導(dǎo)熱對(duì)研究彈藥艙艙室內(nèi)的溫度影響進(jìn)行了模擬，得到了在鄰艙不同火源面積，不同火源熱釋放率的情況下，彈藥艙內(nèi)典型時(shí)刻艙室壁面溫度以及艙室內(nèi)各溫度測(cè)點(diǎn)的變化特性，從而得到被研究艙室受鄰艙火災(zāi)影響時(shí)的溫度特性規(guī)律，所得結(jié)論對(duì)研究彈藥艙內(nèi)的火災(zāi)早期探測(cè)與消防應(yīng)對(duì)等具有一定的指導(dǎo)意義。

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，艙室有一個(gè)門(mén)開(kāi)口，環(huán)境溫度為25 ℃。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，艙門(mén)所在的一側(cè)6個(gè)風(fēng)口為進(jìn)風(fēng)口，對(duì)面為出風(fēng)口，每個(gè)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組彈藥架。艙室結(jié)構(gòu)的三維模型如圖1所示。

鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源設(shè)定為油類(lèi)火，火源位置為鄰艙靠近所研究艙室的公共壁面中心地面。建模后的鄰艙火災(zāi)模型如圖2所示，鄰艙有一門(mén)開(kāi)口，直接和外界相通。在彈藥艙內(nèi)的通風(fēng)流場(chǎng)穩(wěn)定以后，考察鄰艙發(fā)生火災(zāi)后1 500 s時(shí)間內(nèi)對(duì)彈藥艙的影響。

在研究的艙室內(nèi)距地面高3.2 m的平面上，布置有溫度測(cè)點(diǎn)（T1～T8）、煙霧測(cè)點(diǎn)（S1～S4）和壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)（P1～P4），可對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行采集，采樣周期0.2 s，采樣頻率5 Hz。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置示意圖如圖3所示。假設(shè)鄰艙與彈藥艙之間沒(méi)有直接相通的開(kāi)口，鄰艙火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的煙霧等燃燒產(chǎn)物不會(huì)進(jìn)入被研究艙室內(nèi)，鄰艙火災(zāi)僅通過(guò)與被研究艙室的公共壁面導(dǎo)熱作用于被研究艙室，因此本文只研究被研究艙室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)的變化情況。

被研究艙室門(mén)關(guān)閉的條件下，將鄰艙火源設(shè)定為油類(lèi)火，分別考慮火源面積為 0.5 m×0.5 m 和 2.0 m×2.0 m 兩種情況。假設(shè)當(dāng)火源面積為 0.5 m×0.5 m 時(shí)，燃燒穩(wěn)定階段的火源熱釋放率約為300kW，火源發(fā)展規(guī)律為超快速火，燃燒穩(wěn)定階段火源最大熱釋放率的隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。假設(shè)當(dāng)火源面積為2.0 m×2.0 m時(shí)，火源發(fā)展規(guī)律為超快速火，燃燒穩(wěn)定階段的火源熱釋放率約為4.8 MW，火源熱釋放率隨時(shí)間變化曲線如5所示。

2 計(jì)算方法

基于所得結(jié)果的準(zhǔn)確性、全面性等方面考慮，本文研究采用基于大渦模擬技術(shù)的數(shù)值模擬方法為主。受限空間內(nèi)的火災(zāi)熱流場(chǎng)主要為熱浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫流動(dòng)過(guò)程，在此類(lèi)受重力作用的多組分理想氣體的控制方程組的基礎(chǔ)上，為了加快計(jì)算求解速度，根據(jù)火災(zāi)流場(chǎng)特性，需要對(duì)控制方程組進(jìn)行一些必要的變形與簡(jiǎn)化[2–4]，得到以下主要控制方程組：

連續(xù)性方程

組分方程

動(dòng)量方程

速度散度約束方程

狀態(tài)方程

壓力方程

式中：為氣體密度；為組分i 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為擴(kuò)散系數(shù)；為單位體積內(nèi)組分i的生成率或消耗率；為氣體分子量；為壓力擾動(dòng)；V為空氣流速度矢量；為重力加速度；為組分l 的焓；為氣體溫度；為重力加速度；為輻射熱通量；為粘性應(yīng)力張量；為通用氣體常數(shù)；為旋度張量。

數(shù)值計(jì)算時(shí)，采用大渦模擬技術(shù)對(duì)控制方程組進(jìn)行處理，得到大尺度渦旋運(yùn)動(dòng)的控制方程組和小尺度渦旋給出的亞格子尺度模型[5]；燃燒采用單步瞬時(shí)反應(yīng)混合分?jǐn)?shù)模型；熱輻射采用有限體積法進(jìn)行處理[6–10]；艙室壁面導(dǎo)熱使用的是一維導(dǎo)熱模型[4]計(jì)算。對(duì)于鄰艙火災(zāi)場(chǎng)景，流場(chǎng)屬于典型的亞音速弱可壓流動(dòng)，計(jì)算過(guò)程中，為了對(duì)火災(zāi)熱流場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，使用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的場(chǎng)模擬軟件（FDS）來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)物理建模與仿真。

3 結(jié)果與分析

3.1 最大火源熱釋放率300 kW

當(dāng)火源面積為0.5 m×0.5 m時(shí)，若按假設(shè)火源最大熱釋放速率為300 kW作為模擬火源的輸入條件，則經(jīng)過(guò)模擬輸出的火源熱釋放速率結(jié)果如圖6所示。由圖中可以看出，火源按設(shè)定的規(guī)律進(jìn)行燃燒，并且在約60 s時(shí)刻達(dá)到最大值300 kW，之后的熱釋放速率值始終保持在300 kW附近波動(dòng)，說(shuō)明在鄰艙內(nèi)的火源可以按照設(shè)定的燃燒。

鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，被研究彈藥艙內(nèi)各溫度測(cè)點(diǎn)輸出隨時(shí)間的變化如圖7所示。由圖中可以看出，盡管鄰艙發(fā)生火災(zāi)，但是各溫度測(cè)點(diǎn)在所模擬的500 s時(shí)間內(nèi)，前350 s幾乎沒(méi)有任何變化，除測(cè)點(diǎn)T1和T3外，其余測(cè)點(diǎn)在約350 s以后才開(kāi)始小幅度上升，隨著時(shí)間的增加，在1 500 s時(shí)，所有溫度測(cè)點(diǎn)處的溫度均達(dá)到了 28 ℃。

鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，各典型時(shí)刻的艙室壁面溫度如圖8所示。由圖中可以看出，隨著時(shí)間的增加，除火源所在房間的壁面外，兩艙室相鄰的共用壁面溫度發(fā)生變化，說(shuō)明火源產(chǎn)生的熱量已經(jīng)通過(guò)共用艙壁傳入所研究的艙室中，而且共用艙壁面上火源所在位置的背面區(qū)域溫度較其他區(qū)域高。隨著時(shí)間增加，被研究艙室靠近與鄰艙公共壁面中心的地面溫度也開(kāi)始逐漸由所升高，在1 400 s時(shí)壁面最高溫度在70 ℃以上。

鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，各典型時(shí)刻研究艙室中各火災(zāi)探測(cè)器所在高度平面溫度云圖如圖9所示。由圖中可以看出，平面上高溫源位于靠近公共壁面中部，隨著時(shí)間的增加，相對(duì)高溫的區(qū)域面積由高溫源逐漸向周?chē)鷶U(kuò)大，到1 400 s時(shí)刻，平面上溫度稍有升高，但是在靠近送風(fēng)口一側(cè)的通風(fēng)上游區(qū)域，溫度變化相對(duì)不明顯，說(shuō)明鄰艙火災(zāi)時(shí)依靠公共壁面導(dǎo)熱將熱量傳導(dǎo)至研究艙室時(shí)，由于熱源在通風(fēng)下游，所以熱量在被研究艙室內(nèi)擴(kuò)散較慢，尤其是對(duì)靠近送風(fēng)口的通風(fēng)上游區(qū)域，使其升溫較為困難。

3.2 最大火源熱釋放率4.8 MW

由于鄰艙火源最大火源熱釋放率300 kW時(shí)，所研究艙室內(nèi)溫度變化幅度較小，因此考慮增大火源，來(lái)研究鄰艙發(fā)生較大規(guī)?；馂?zāi)時(shí)對(duì)研究艙室內(nèi)的溫度影響。假設(shè)鄰艙火源面積為2.0 m×2.0 m，理論熱釋放速率為4.8 MW，經(jīng)過(guò)模擬得到的熱釋放速率輸出結(jié)果如圖10所示。由圖中可以看出，火源熱釋放速率在火災(zāi)初期階段開(kāi)始迅速上升，在約70 s熱釋放率達(dá)到了4.8 MW，隨后在經(jīng)過(guò)較大幅度的波動(dòng)后，在約90s時(shí)刻開(kāi)始迅速降低，100 s以后熱釋放率保持在1.5～2.0 MW之間波動(dòng)，300 s后熱釋放率曲線呈現(xiàn)逐漸緩慢下降的趨勢(shì)，到1 500 s時(shí)熱釋放率約1 MW。這是由于火源熱釋放率過(guò)大而艙室空間較小不足以提供燃燒需要的空氣，所以不能按設(shè)定的釋放率燃燒，只能在可提供的空氣支持燃燒的范圍內(nèi)保持相對(duì)低的熱釋放率。

鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，被研究彈藥艙內(nèi)各溫度測(cè)點(diǎn)輸出隨時(shí)間的變化如圖11所示。由圖中可以看出，各測(cè)點(diǎn)在約 100 s后開(kāi)始上升，100～200 s期間測(cè)點(diǎn) T6稍高于其他測(cè)點(diǎn)，約在900 s后各測(cè)點(diǎn)溫度升高趨勢(shì)放緩，T2的最高溫度可以升至約36 ℃，遠(yuǎn)離熱源壁面并且靠近通風(fēng)上游一側(cè)的測(cè)點(diǎn)T1，T3，T5和T7處的溫度開(kāi)始在32 ℃～35 ℃之間保持波動(dòng)。

各典型時(shí)刻的艙室壁面溫度如圖12所示。由圖中可以看出，隨著時(shí)間的增加，兩艙室相鄰的共用壁面溫度發(fā)生變化，說(shuō)明火源產(chǎn)生的熱量已經(jīng)通過(guò)共用艙壁傳入所研究的艙室中，而且共用艙壁面上火源所在位置區(qū)域溫度較高，可以超過(guò)150 ℃。在彈藥艙鄰艙的火源所在艙室內(nèi)，火災(zāi)發(fā)生100 s以后，在艙室門(mén)口附近的艙室壁面溫度較高，由于艙室內(nèi)的空氣不足以支持如此大規(guī)模的火源燃燒，因此火源處有大量未燃燒的燃料氣化產(chǎn)物，在接觸到艙室門(mén)口的新鮮空氣時(shí)，符合燃燒條件，因此在此區(qū)域內(nèi)又發(fā)生燃燒，導(dǎo)致艙室門(mén)口附近壁面的溫度升高。

各典型時(shí)刻研究艙室中各火災(zāi)探測(cè)器所在高度平面溫度云圖如圖13所示。由圖中可以看出，由通風(fēng)下游回風(fēng)口所在的艙室共用壁面溫度高溫將熱量傳到艙室內(nèi)，因此艙室共用壁面附近的區(qū)域溫度較其他區(qū)域的溫度高，在火災(zāi)后期，高溫壁面的影響區(qū)域可以影響到艙室中部區(qū)域，但整個(gè)平面上整體的溫度始終保持在未超過(guò)50 ℃。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用數(shù)值方法對(duì)鄰艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)通過(guò)公共壁面導(dǎo)熱對(duì)研究艙室內(nèi)的溫度影響進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)彈藥艙內(nèi)火災(zāi)溫度參數(shù)結(jié)果進(jìn)行分析得到：

1）鄰艙火災(zāi)的火源面積為0.5 m×0.5 m最大熱釋放率為300 kW時(shí)，火源可以按照設(shè)定規(guī)律燃燒；公共壁面最高溫度在70 ℃以上，研究艙室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度在1 500 s時(shí)升高至28 ℃以上，熱量在被研究艙室測(cè)點(diǎn)所在高度平面擴(kuò)散較慢，尤其是對(duì)靠近送風(fēng)口的通風(fēng)上游區(qū)域，使其升溫較為困難。

2）鄰艙火災(zāi)的火源面積為2 m×2 m最大熱釋放率為4.8 MW時(shí)，空間內(nèi)的氧氣不足以支持火源按設(shè)定的釋放率燃燒，只能在可提供的空氣支持燃燒的范圍內(nèi)保持在1～2 MW熱釋放率，并且在火源所在艙室門(mén)開(kāi)口附近發(fā)生了回燃；共用艙壁面上火源所在位置區(qū)域溫度較高，可以超過(guò)150 ℃；被研究彈藥艙內(nèi)各測(cè)點(diǎn)在約 100 s后開(kāi)始上升，100～200 s期間測(cè)點(diǎn) T6稍高于其他測(cè)點(diǎn)，約在900 s后各測(cè)點(diǎn)溫度升高趨勢(shì)放緩，T2的最高溫度可以升至約36 ℃，遠(yuǎn)離熱源壁面并且靠近通風(fēng)上游一側(cè)的測(cè)點(diǎn)T1，T3，T5和T7處的溫度開(kāi)始在32 ℃～35 ℃之間保持波動(dòng)。

3）通過(guò)3次對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，火盆大小為0.5 m×0.5 m，燃料用量 2 500 ml，燃燒時(shí)間為 900 s，溫度測(cè)點(diǎn)的最高溫升分別為1.6 ℃，1.2 ℃，1.0 ℃，均沒(méi)有引起傳感器報(bào)警，溫度上升趨勢(shì)與仿真計(jì)算結(jié)果基本相吻合。伴隨燃料用量及燃燒時(shí)間的增加，被研究艙室溫度測(cè)點(diǎn)的溫升也相應(yīng)增加。

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