蘇石川，陳 露，王 亮，穆 鑫，耿珊珊，曹佳斌

(江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

近年來船舶火災事故頻發(fā)，據不完全統(tǒng)計，船舶火災占海難事故總數的11%。我國港航系統(tǒng)平均每年發(fā)生船舶火災事故約24 起，造成直接經濟損失超過千萬元[1]。由于船舶空間的有限性，狹長通道常見于船艙過道及船員起居室內。而現有文獻[2 – 6]表明，狹長空間可造成火災污染物的快速蔓延。同時，由于不同船型的需求，狹長通道可設有不同頂棚高度，但頂棚高度卻對火災頂棚射流的發(fā)展具有重要的影響。因此，不同頂棚高度的狹長通道影響了船舶火災的發(fā)展及人員逃生，如何建立安全性強、效率性高的船舶通道滅火系統(tǒng)對船舶火災安全工程具有重要的意義。

細水霧滅火因其具有無環(huán)境污染、滅火迅速、用水量少以及對保護對象破壞性較小的優(yōu)點受到廣泛青睞[7]，國內外學者對細水霧抑制火災展開了大量的研究。Makoto Murakami 等[8]模擬了隧道細水霧幕對人員逃生的影響，認為細水霧幕可以抑制煙氣蔓延，保證人們的視線范圍有利于人員疏散。Horst Starke[9]實驗研究了隧道內細水霧滅火，發(fā)現釋放細水霧后，火焰熱釋放率迅速降低，隧道氧氣濃度降到18%以下，火災蔓延受到控制。Jianhe Zhao 等[10]模擬研究了細水霧粒徑、霧化錐角、以及噴霧壓力對船舶機艙火災的抑制效果，發(fā)現霧滴直徑在200～400 μm 之間效果較好，小霧化錐角、大噴霧壓力可以增強火焰冷卻。李夢[11]通過實驗和數值模擬相結合的方法研究了細水霧技術在隧道中的應用，發(fā)現通風能有效降低火場溫度、CO 濃度和熱輻射強度，有利于阻止隧道火災蔓延和保障火場安全。劉乃玲等[12]模擬研究細水霧對狹長空間的降溫效果，發(fā)現噴入細水霧后空間內各斷面的溫度均有所降低，且噴霧量越大降溫效果越明顯。以上研究成果加深了人們對細水霧抑制狹長通道內火災蔓延的理解，但上述研究對象較多局限于隧道狹長空間，這與船舶狹長通道在幾何尺度、通風環(huán)境、結構特點等多方面存在不同點。因此，細水霧作用下的船舶狹長通道內的火災發(fā)展規(guī)律仍需進一步研究。

本文針對不同頂棚高度的船舶狹長通道，運用大渦模擬技術，對細水霧作用下的火災發(fā)展變化進行了數值模擬。通過對熱釋放率、氧氣濃度、煙氣層分區(qū)及溫度場的分析，探討細水霧抑制條件下狹長通道內火災演變的特性。

1 模型建立

1.1 數學模型

火場中氣體流動基本守恒方程如下：

質量守恒方程

組分守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

理想氣體狀態(tài)方程

式中：ρ 為密度，kg/m3；為速度矢量，m/s；Di為組分i 的質量擴散系數；Yi為組分i 的質量相對濃度；W′′′為組分的反應速率，mol/（L·s）；p 為壓力，Pa；g 為重力加速度，m/s2；為作用在流體上的外力，N；τ 為粘性力張量，N；h 為比焓，J/kg；k 為導熱系數，W/（m·K）；R 為氣體狀態(tài)常數，值為8.314。

1.2 物理模型建立

圖1 為某船舶典型T 型狹長通道結構圖，橫向通道長9 m，豎向通道長15.2 m，寬均為1.2 m。橫向通道左側口封閉，豎向通道出口均為自由通風?；诨馂膭恿W軟件FDS，圖2 為根據圖1 結構圖所建立的計算模型，該模型頂棚高度分別為1.8 m，2.6 m，3.4 m，4.3 m。細水霧噴頭共9 個，位于頂棚中間下方0.1 m處（分布見圖1），其相關參數如表1 所示。

本文模擬以正庚烷為燃料，油池體積為 0.4 m×0.4 m× 0.1 m，位于橫向通道內噴頭的正下方。正庚烷物性參數如表2 所示，根據文獻[13]的方法可得最大熱釋放率為Q=800 kW。正庚烷燃燒60 s 時間后釋放細水霧。

圖1 某船舶典型T 型狹長通道結構圖Fig.1 Typical T-shaped narrow passage structure diagram of a ship

表1 細水霧參數Tab.1 Water mist parameters

表2 正庚烷物性參數Tab.2 N-heptane physical parameters

1.3 網格劃分

火源特征尺寸D*計算方法如下：

式中：Q 為火源功率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp定壓比熱容，kJ/（kg·K）；T∞環(huán)境溫度，K。

當庚烷燃燒時功率Q=800 kW，此時計算的特征尺寸D*為0.85 m。文獻[14]認為當D*/δx 比值在4～16 時模擬精度較高，其中δx 為網格尺寸。對應計算所需網格尺寸范圍為0.053～0.213 m，本文選取0.1 m 網格尺寸。

2 結果與分析

2.1 火焰熱釋放率及熱輻射強度變化

圖3（a）為不同頂棚下，火源熱釋放率隨時間變化曲線。在燃燒初期燃料熱釋放率迅速增長到800 kW。自由燃燒工況下隨著氧氣消耗，熱釋放速率出現小范圍波動直至燃料殆盡，燃燒速率降到0。釋放細水霧后熱釋放速率迅速下降，在釋放細水霧40 s 之后熱釋放速率基本降到穩(wěn)定值。1.8 m 高通道釋放細水霧之后熱釋放速率迅速降到60 kW 左右，火災得到了很好的控制；隨著頂棚高的增加，釋放細水霧之后熱釋放速率降低量逐漸減少，火災受到抑制但火焰并未熄滅而是以低燃燒速率燃燒。從頂棚高度為3.4 m 和4.3 m 通道熱釋放速率可以看出穩(wěn)定后的熱釋放速率并不是一直隨著高度的增加而增加，當高度增加到一定程度之后繼續(xù)增大頂棚高度，熱釋放速率基本保持不變。圖3（b）為釋放細水霧對火焰熱輻射強度的影響。可以看出，自由燃燒工況下熱輻射強度一直維持在250 kW左右，在60 s 釋放細水霧后熱輻射強度大幅衰減。結合圖3（a）可以看出，熱輻射強度與熱釋放率變化相一致，在火焰熱釋放率降低的同時熱輻射強度也隨之減弱，且隨著頂棚高度降低細水霧對火焰熱輻射屏蔽效果越好。

圖3 不同頂棚高度下細水霧對熱釋率及熱輻射強度的影響Fig.3 Effect of water mist on heat release rate and heat radiation intensity under different ceiling heights

2.2 煙氣濃度及其分層變化

1）煙氣濃度變

圖4（a）為不同頂棚高度下，橫向通道內氧氣濃度隨時間變化關系。可以看出，隨著燃燒開始，O2濃度逐漸下降。大約20 s 之后因燃燒穩(wěn)定后通風量和耗氧量達到平衡，O2濃度趨于穩(wěn)定。自由燃燒工況下O2濃度會維持在19%左右，直到燃料殆盡后O2濃度恢復到環(huán)境值。而在60 s 后釋放細水霧，通道內O2濃度再次迅速下降，且隨著通道高度的降低O2濃度趨于的穩(wěn)定值越小，越有利于控制火災。1.8 m 和2.6 m 高的通道，O2濃度已經降到14%，由于這時通道內的O2濃度較低而不足以支持燃料繼續(xù)燃燒，可以認為火焰已將近熄滅。圖4（b）為CO 隨時間的變化曲線。自由燃燒時，O2濃度較高，燃燒比較充分，產生的CO 較少；施加細水霧之后，由于氧氣濃度迅速降低使得火焰產生不完全燃燒，CO 濃度迅速增長，通道頂棚越低細水霧霧動量越大，對火焰的沖擊作用越強烈，產生的CO 越多。

圖4 橫向通道內煙氣濃度隨時間變化關系Fig.4 The relationship between smoke concentration and time in the transverse passage

2）煙氣層分區(qū)

圖5 為不同頂棚高度下，煙氣層分區(qū)隨時間變化關系。煙氣層分區(qū)是指通道上半層的高溫煙氣與下半層的常溫氣體之間相對位置。燃燒產生的高溫煙氣在浮力作用下向上運動，受頂棚阻擋后轉向四周蔓延，一段時間后煙氣會發(fā)生向下沉降；圖5（a）顯示自由燃燒工況下，大約60 s 之后煙氣層趨于穩(wěn)定。對比圖5（a）和圖5（b）可知，因橫向通道是火災發(fā)生區(qū)，通道內煙氣層高度較豎向通道低。釋放細水霧之后煙氣層分區(qū)高度迅速上升到最高點，且隨著通道頂棚高度增加煙氣層分區(qū)高度也隨之增加，細水霧對高溫煙氣起到了很好的冷卻作用。因通道頂棚較高煙氣運動過程中會有大量冷空氣卷入導致3.4 m 和4.3 m 高通道煙氣層產生較大波動。從圖5（b）可以看出，2.6 m高通道煙氣層高度已經達到1.8 m 以上，這時高溫煙氣主要集中在人們頭頂上方，有利于火場人員疏散。由此可見，通道頂棚高度在2.6 m 以上能夠減少高溫煙氣對人員疏散影響。

2.3 溫度場分析

1）通道內溫度變化

圖6 （a）為各頂棚高度下T 型通道內1.5 m 處的溫度變化。可以看出，1.8 m 高通道溫度迅速升高到200 ℃，在釋放細水霧后又很快下降到環(huán)境溫度，而其他頂棚高度的通道在1.5 m 處的溫度變化不明顯。圖6（b）為各頂棚高下通道頂棚溫度的變化?？梢钥闯?，隨著頂棚高度的降低，通道頂棚溫度逐漸升高，且通道頂棚溫度較通道1.5 m 處溫度高。這是由于通道頂棚高度較低產生頂棚射流現象，燃燒劇烈導致溫度升高，又因高溫煙氣層集中頂棚區(qū)域以致頂棚溫度較其他區(qū)域高。釋放細水霧后，低頂棚高度下水霧與環(huán)境溫差較大，汽化劇烈，吸收熱量多，1.8 m 和2.6 m 高通道冷卻效果相對較好。

2）溫度云圖

圖7 為不同頂棚高度下橫向通道內，細水霧釋放1 140 s 后溫度分布云圖?？梢钥闯觯ǖ纼瘸鹧嫔戏酵?，其余部分基本降到環(huán)境溫度，釋放細水霧有效的降低了通道內溫度。1.8 m 高通道最高溫度出現在燃料池表面約137 ℃，燃料池上方溫度層較少且溫度較低；2.6 m 高通道在細水霧作用下，最高溫度區(qū)域偏移到燃料池右側，通道頂棚位置出現部分高溫區(qū)，且溫度比1.8 m 高通道略有升高；3.4 m 和4.3 m 通道油池上方1.5 m 范圍內溫度較高，最高溫度達400 ℃，這是由于高頂棚通道在細水霧作用下火焰仍能以低燃燒速率燃燒所致。故細水霧對低頂棚狹長通道的冷卻效果更好。

3 結 語

1）細水霧能夠有效抑制T 型通道內火災的蔓延。釋放細水霧后火焰熱釋放速率迅速下降。低頂棚（1.8 m和2.6 m）狹長通道內熱釋放率衰減速度較快，而高頂棚（3.4 m 和4.3 m）狹長通道，由于細水霧霧動量不足，熱釋放率衰減速度較慢。

2）釋放細水霧之后，1.8 m 和2.6 m 頂棚狹長通道內O2濃度可快速降到14%，火焰基本熄滅。而3.4 m和4.3 m 頂棚狹長通道內O2濃度較高，但燃料燃燒速率可被得到有效抑制。

3）1.8 m 高通道的煙氣層較低，隨著頂棚高度增加煙氣層升高。通道頂棚高度在2.6 m 以上能夠減少高溫煙氣對火場人員疏散的影響。

4）細水霧能夠有效降低通道內的火場溫度，尤其對低頂棚（1.8 m 和2.6 m）通道的降溫效果較好；高頂棚（3.4 m 和4.3 m）通道內由于火焰仍以較低燃燒速率燃燒，油池上方區(qū)域溫度仍然較高，但其周圍空間的溫度得到有效降低。

圖7 不同頂棚高度橫向通道內溫度分布云圖Fig.7 The temperature distribution in the transverse passage with different ceiling heights