朱旭程，袁書生，曾 亮

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001）

航母發(fā)展至今已成為現(xiàn)代藍(lán)水海軍不可或缺的一種作戰(zhàn)武器，在海上控制、力量投送、戰(zhàn)略威懾及一些非戰(zhàn)爭運(yùn)用中發(fā)揮著重要作用。航母甲板火災(zāi)是影響航母和艦載機(jī)安全的一個(gè)重要因素[1]。典型航母甲板長度約340 m、寬約76 m，在這樣不太大的區(qū)域內(nèi)，要完成艦載機(jī)加油、起飛與著艦和艦面勤務(wù)保障等任務(wù)，特別是在加油和起飛著艦過程中極易發(fā)生火災(zāi)。研究表明[2]，飛機(jī)在航母甲板上失事后，燃油散流面積約80～120 m2，油層厚度平均2～3cm，火焰區(qū)溫度達(dá)1 000℃以上，其輻射熱使消防員難以近距離接近火場(chǎng)。機(jī)載彈藥一般耐火時(shí)間約3min，甲板滅火對(duì)艦上人員將是非常大的考驗(yàn)[3]。燃油散流火為油池火災(zāi)，液體燃料受到空間火蔓延的熱反饋蒸發(fā)為氣體可燃物，熱氣體可燃物受浮力作用向上運(yùn)動(dòng)，與從環(huán)境卷吸來空氣混合、燃燒形成空間火，甲板火災(zāi)受風(fēng)的影響很大。

為開展航母甲板火災(zāi)特性與滅火技術(shù)研究，本文應(yīng)用低速氣流運(yùn)動(dòng)控制方程組和湍流燃燒大渦模擬方法對(duì)航母甲板油料火災(zāi)進(jìn)行CFD數(shù)值仿真計(jì)算，研究不同迎面風(fēng)速下此類火災(zāi)行為的一些特征和性質(zhì)，對(duì)指導(dǎo)航母甲板火滅火技術(shù)研究具有一定借鑒意義。

1 航母甲板火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)分析模型

1）甲板火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)DES方程。航母甲板火災(zāi)流場(chǎng)是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的燃燒湍流，對(duì)瞬時(shí)湍流控制方程進(jìn)行時(shí)均平滑濾波后[4]，可建立火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)大渦模擬（LES）方程：

式（2）～（4）中：τ、q、Js分別表示湍流應(yīng)力、熱通量、質(zhì)量通量。

湍流應(yīng)力通常采用亞格子模型求解[5-6]，熱通量和質(zhì)量通量渦擴(kuò)散模型求解[7]。

將火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)LES方程在交錯(cuò)網(wǎng)格系上離散，在空間維上采用二階精度差分格式計(jì)算，在時(shí)間維上采用顯式二階精度預(yù)測(cè)校正格式計(jì)算，采用局部時(shí)間步長加快收斂速度[8]，計(jì)算步驟如圖1所示。

2）計(jì)算域與航母幾何模型的創(chuàng)建。計(jì)算航母模型選取與美企業(yè)號(hào)[9]航母外形，取甲板長、寬和甲板距離水面高度分別為333 m、78 m、20 m，艦島長寬高分別為20 m、12 m、20 m，艦島中心距離甲板前沿190 m。設(shè)飛機(jī)漏油位置為甲板中心線上、距離甲板前沿185 m處，長寬均為10 m，厚度為2cm。計(jì)算區(qū)間：長×寬×高=420 m×200 m×100 m，見圖2。模型甲板前沿位于對(duì)稱垂面中（y=0 m，x=50 m）位置。

3）計(jì)算網(wǎng)格生成與條件參數(shù)設(shè)置。采用FDS6.0軟件[10]生成計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)數(shù)目為840×400×200。計(jì)算中不考慮海浪的影響，假設(shè)海面為水平的固體壁面。海面處大氣溫度定義為20℃，計(jì)算域入口風(fēng)速根據(jù)工況條件設(shè)置，并加上均勻分布隨機(jī)噪聲來模擬風(fēng)速擾動(dòng)[11]，出口邊界和側(cè)面采用自由邊界，上表面采用滑移邊界。

4）附加模型。燃燒反應(yīng)流是一種多相湍流，需補(bǔ)充定義源項(xiàng)、輸運(yùn)方程等一些附加模型[12]。這里，采用混合分?jǐn)?shù)方法[13]計(jì)算燃燒湍流，氣流壓強(qiáng)計(jì)算式為：

包括背景壓強(qiáng)和誘導(dǎo)壓強(qiáng)。

液體燃料表面燃料蒸汽體積分?jǐn)?shù)計(jì)算式為[14]：

式（6）中：hv為蒸發(fā)潛熱；Wf為分子量；Ts為表面溫度；Tb為沸點(diǎn)。

2 航母甲板火災(zāi)流場(chǎng)特性分析

為了研究風(fēng)速對(duì)航母甲板油料火災(zāi)的影響，計(jì)算工況如表1所示。圖3給出了油池附近甲板上熱流密度隨時(shí)間變化的模擬結(jié)果。

表1 各工況參數(shù)Tab.1 Parameter setting of each case

由圖3 a）可以看到，當(dāng)無風(fēng)時(shí)，油池火災(zāi)引起的航母甲板上各處的熱流密度基本對(duì)稱，火災(zāi)主過程的釋熱率接近時(shí)均穩(wěn)定，時(shí)間長達(dá)50 s，隨后緩慢下降。由圖3 b）、c）和d）可以看到，在火災(zāi)初期迎面來風(fēng)或風(fēng)速有較小變化時(shí)，火災(zāi)釋熱率的變化趨勢(shì)基本一致，t=10 s后出現(xiàn)了明顯的差異，當(dāng)存在迎面來風(fēng)后，油池火災(zāi)引起的航母甲板上各處的熱流密度完全不對(duì)稱，背風(fēng)側(cè)甲板上熱流密度明顯高于迎風(fēng)側(cè)，說明火焰偏向艦尾，隨著來風(fēng)速度的增加，這一偏差顯著增加；當(dāng)風(fēng)速1 m/s時(shí)，存在艦島影響，油池左右側(cè)甲板熱流密度略有差異；火災(zāi)主過程的釋熱率時(shí)均變化不大，但呈現(xiàn)出略有增大的趨勢(shì)，到達(dá)最大時(shí)均釋熱率后，釋熱率快速下降一段時(shí)間，然后變得緩慢；當(dāng)風(fēng)速3 m/s、5 m/s時(shí)，艦島影響基本降為零，油池左右側(cè)甲板上的熱流密度基本相同。火災(zāi)主過程的釋熱率時(shí)均變化也不大，但呈現(xiàn)出略有減小的趨勢(shì)，經(jīng)過約50 s后，釋熱率快速下降。對(duì)比4種工況還可以看出，無風(fēng)時(shí)甲板油池火災(zāi)的燃油基本上是一次燒完，當(dāng)出現(xiàn)迎面來風(fēng)后，火災(zāi)過程將出現(xiàn)2個(gè)階段。

為了說明不同迎面來風(fēng)速度對(duì)火焰蔓延及煙氣運(yùn)動(dòng)的影響，圖4給出了t=10 s時(shí)，4個(gè)工況下甲板對(duì)稱面（y=0）上煙氣壓強(qiáng)分布的模擬結(jié)果。

由圖4可見，當(dāng)來風(fēng)速度為1 m/s時(shí)，甲板油池火災(zāi)對(duì)氣流壓強(qiáng)分布的影響不大，火焰的傾角約為69°；當(dāng)來風(fēng)速度為3 m/s時(shí)，甲板油池火災(zāi)將在甲板上方產(chǎn)生正壓、負(fù)壓間斷氣流區(qū)域，來風(fēng)速度越大，這一現(xiàn)象越明顯，火焰的傾角約為56°；當(dāng)來風(fēng)速度為5 m/s時(shí)，火焰的傾角約為26°?；鹧鎯A斜角度與來風(fēng)速度成非線性關(guān)系。由于較大來風(fēng)速度使火焰偏斜向油池后側(cè)，空間火向油池的熱反饋降低；當(dāng)來風(fēng)速度較小時(shí)，火焰偏斜不大，同時(shí)增加了對(duì)火場(chǎng)的供氧，所以出現(xiàn)了火災(zāi)釋熱率非單調(diào)變化特點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果并進(jìn)一步了解甲板火災(zāi)煙羽非定常特性，進(jìn)行了艦?zāi)＜装寤馂?zāi)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理見圖5，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎锰貭柌┠Ｐ凸径ㄖ频?/720的縮比艦?zāi)！?/p>

實(shí)驗(yàn)風(fēng)速在0～5 m/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，燃燒液體庚烷代替飛機(jī)漏油，通過激光PIV系統(tǒng)對(duì)艦?zāi)Ａ鲌?chǎng)流態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。PIV系統(tǒng)硬件設(shè)備使用LaVision公司產(chǎn)品，主要包括[14]：照明激光器、同步控制器、圖像采集板、高速數(shù)字相機(jī)和計(jì)算機(jī)，如圖6所示。

激光器為Nd：Yag雙脈沖式激光器，使用2臺(tái)脈沖激光器經(jīng)過光束合束器通過一個(gè)光路出口并且嚴(yán)格空間上重合地發(fā)射出來，經(jīng)過導(dǎo)光臂和片光源系統(tǒng)，產(chǎn)生照明流場(chǎng)的脈沖片光源。數(shù)字相機(jī)通過外部觸發(fā)一次瞬間捕捉2幀圖像。同時(shí)，將捕捉到的一系列圖像數(shù)據(jù)通過圖像采集板實(shí)時(shí)地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存中。觸發(fā)信號(hào)由同步控制器提供，從而保持與脈沖激光器的完全同步。同步控制器通過內(nèi)部時(shí)基產(chǎn)生周期的脈沖觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過多個(gè)延時(shí)通道同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)經(jīng)過延時(shí)的觸發(fā)信號(hào)，用來控制激光器、數(shù)字相機(jī)和圖像采集板，使它們工作在嚴(yán)格同步的信號(hào)基礎(chǔ)上，保證各部分協(xié)調(diào)工作。計(jì)算機(jī)用于存儲(chǔ)圖像采集板提供的圖像數(shù)據(jù)，通過粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)軟件可以實(shí)時(shí)地完成速度場(chǎng)的計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)。計(jì)算機(jī)硬件包括數(shù)字相機(jī)實(shí)時(shí)控制模塊、圖像采集板實(shí)時(shí)控制模塊。軟件包括：Davis 8.1數(shù)字圖像采集和處理模塊、實(shí)時(shí)粒子圖像測(cè)速計(jì)算和粒子跟蹤測(cè)速計(jì)算模塊、粒子圖像分析軟件。軟件部分集成了粒子圖像測(cè)速（PIV）、粒子跟蹤測(cè)速（PTV）、濃度場(chǎng)分析和粒徑分析等功能模塊；系統(tǒng)可計(jì)算互相關(guān)計(jì)算圖像中部分區(qū)域及全部區(qū)域的速度；支持大量圖像的批處理；具有設(shè)定分區(qū)自動(dòng)計(jì)算功能；支持向量單點(diǎn)修正、單點(diǎn)賦值、向量濾波、修正所有向量；可對(duì)圖像進(jìn)行灰度調(diào)整、濾波、翻轉(zhuǎn)、讀值、模糊、放大縮小、對(duì)比度調(diào)整等通用數(shù)字圖像處理；實(shí)時(shí)分析圖像中顆粒的粒徑分布情況，包括：顆粒的等效圓直徑大小、空間位置坐標(biāo)、等效長方形參數(shù)、顆粒截面面積等參數(shù)；包括圖像灰度濃度場(chǎng)分析工具：分析圖像灰度的空間分布變化得到相對(duì)濃度分布，并通過標(biāo)定實(shí)現(xiàn)非線性絕對(duì)濃度場(chǎng)的測(cè)量；同時(shí)包括顆粒數(shù)目濃度場(chǎng)分布分析工具：實(shí)時(shí)分析空間中各區(qū)域包含各種直徑顆粒數(shù)目的分布情況；兼容Tecplot流場(chǎng)分析軟件和Origin數(shù)學(xué)分析軟件。

應(yīng)用激光PIV顯示系統(tǒng)分別研究了迎面來風(fēng)速度分別為0 m/s、3 m/s、5 m/s情況下甲板上方對(duì)稱面內(nèi)煙粒子速度分布（見圖7），觀測(cè)計(jì)算時(shí)間為點(diǎn)火后的15～50 s范圍。在無風(fēng)情況下v=0 m/s，火焰根部位于油池正上方，火焰存在瞬間波動(dòng)，火焰和煙羽有較強(qiáng)的向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，煙氣分布前后基本對(duì)稱。當(dāng)風(fēng)速v=3 m/s時(shí)，火焰根部向后方偏移，等效偏移量約8 m左右，燃燒主過程基本時(shí)均穩(wěn)定；受來風(fēng)影響，火焰和煙羽產(chǎn)生順風(fēng)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，向艦尾方向偏斜，煙羽偏向順風(fēng)方向傾角約為60°；煙羽未發(fā)生明顯擺動(dòng)，說明艦島影響不大。當(dāng)風(fēng)速v=5 m/s時(shí)，火焰和煙羽偏角隨風(fēng)速增加明顯偏大，煙羽偏向順風(fēng)方向傾角約為30°，火焰根部等效偏移量約12 m左右。實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況如表2所示，說明兩者符合較好。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison between experimental results and computed results

4 結(jié)束語

航母甲板火災(zāi)流場(chǎng)數(shù)據(jù)十分缺乏，本文綜合運(yùn)用CFD技術(shù)和激光PIV顯示技術(shù)研究了不同迎面風(fēng)速工況下航母甲板油料火災(zāi)的蔓延與煙氣流動(dòng)規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)于航母甲板滅火技術(shù)優(yōu)化和艦載航空裝備的安全性分析有較大實(shí)用價(jià)值。

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