王 凱，姬 翔，霍 巖

(1. 海軍駐鄭州地區(qū)軍事代表室，河南 鄭州，450015；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州，450015；3. 哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150001)

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，其安全關(guān)乎艦船的戰(zhàn)斗力和生命力[1]。彈藥艙內(nèi)即使再小的火情也可能引發(fā)災(zāi)難性后果，因此需要火災(zāi)探測(cè)設(shè)備能在火災(zāi)發(fā)生初期盡早探測(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。考慮到艦船火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中最不利場(chǎng)景原則[2]，結(jié)合艙室內(nèi)雜物等堆放位置情況，發(fā)生在艙室內(nèi)角落等較隱蔽位置處的雜物被引燃而形成的火災(zāi)屬于火災(zāi)早期探測(cè)的典型不利場(chǎng)景。而且彈藥艙室內(nèi)為了保持恒定的溫濕度，通常都配備有通風(fēng)系統(tǒng)，在通風(fēng)影響下，火災(zāi)熱流場(chǎng)也會(huì)受到影響，從而呈現(xiàn)特殊的規(guī)律特性，目前對(duì)此類(lèi)流場(chǎng)特性還缺乏深入的認(rèn)識(shí)。隨著CFD場(chǎng)模擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件條件的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬已被廣泛應(yīng)用于艦船艙室火災(zāi)特性研究中[3–5]，有結(jié)果證明數(shù)值模擬可以在降低實(shí)驗(yàn)成本的同時(shí)簡(jiǎn)便快捷地得到艦船艙室火災(zāi)相關(guān)數(shù)據(jù)[6]。本文利用數(shù)值方法對(duì)有通風(fēng)的彈藥艙室內(nèi)角落火災(zāi)熱流場(chǎng)進(jìn)行模擬，對(duì)艙室內(nèi)各火災(zāi)溫度探測(cè)器處的相關(guān)參數(shù)變化情況進(jìn)行分析，所得結(jié)論對(duì)于有通風(fēng)艙室火災(zāi)早期探測(cè)有一定的指導(dǎo)意義。

1 艙室模型與計(jì)算方法

所研究的彈藥艙室為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，艙室內(nèi)部空間尺寸為：長(zhǎng)12 m，寬8 m，高3.5 m。艙室兩側(cè)上部各有6個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的風(fēng)口，各風(fēng)口尺寸為0.3 m×0.25 m，風(fēng)口中心距艙室上壁面0.2 m，每個(gè)風(fēng)口的風(fēng)量為0.187 5 m3/s。艙室內(nèi)地面上布置有6組彈藥架。艙室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在艙室上壁面以下0.3 m所在高度平面上，設(shè)置有8個(gè)點(diǎn)型溫度火災(zāi)探測(cè)器，各探測(cè)器布置位置如圖2所示。各探測(cè)器的采樣頻率為5 Hz，每秒輸出一個(gè)采樣平均數(shù)據(jù)。假設(shè)在火災(zāi)過(guò)程中，艙室門(mén)始終保持關(guān)閉狀態(tài)，艙室沒(méi)有自然開(kāi)口。在通風(fēng)作用下，艙室內(nèi)溫度保持在23 ℃左右。根據(jù)研究艙室內(nèi)的雜物堆放情況，假設(shè)艙室內(nèi)彈藥架周?chē)娣呕蜻z落的雜物形成小面積角落火災(zāi)，火源面積假定為0.02 m2，火源位于艙室靠近送風(fēng)口一側(cè)的角落附近，如圖3所示。

整個(gè)計(jì)算空間使用規(guī)格化網(wǎng)格劃分，火源所在區(qū)域和艙室上部熱煙氣流經(jīng)區(qū)域的網(wǎng)格邊長(zhǎng)0.025 m，其余區(qū)域的網(wǎng)格邊長(zhǎng)0.1 m，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。計(jì)算過(guò)程利用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）開(kāi)發(fā)的火災(zāi)模擬軟件FDS（Fire Dynamics Simulator）[7]來(lái)完成。在整個(gè)流場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中，先計(jì)算艙室內(nèi)的通風(fēng)流場(chǎng)，待通風(fēng)流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后才啟動(dòng)火源進(jìn)行各火災(zāi)場(chǎng)景的熱流場(chǎng)計(jì)算。

火源初期發(fā)展采用αt2火災(zāi)模型[8]，分別考慮火災(zāi)發(fā)展系數(shù)a為0.002 9 kW/s2、0.011 7 kW/s2、0.046 9 kW/s2和0.187 6 kW/s2，以代表不同燃燒物所形成的慢速火、中速火、快速火和超快速火4種典型火災(zāi)初期發(fā)展情況。同時(shí)假設(shè)火源的最大熱釋放率為250 kW?；馂?zāi)發(fā)生后200 s內(nèi)的4種火災(zāi)場(chǎng)景熱釋放率增長(zhǎng)曲線如圖5所示。

2 結(jié)果與分析

對(duì)于所研究的4種火災(zāi)場(chǎng)景，在火災(zāi)發(fā)生200 s內(nèi)，艙室內(nèi)火災(zāi)探測(cè)器T1～T8的最高溫度如圖6所示。由圖中可以看出，隨著火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)增大，火源達(dá)到最大熱釋放率耗時(shí)縮短，各溫度測(cè)點(diǎn)最高溫度值逐漸增大；對(duì)于同一種火災(zāi)場(chǎng)景，雖然火源位于艙室內(nèi)角落附近靠近通風(fēng)上游位置，但是通風(fēng)下游的溫度測(cè)點(diǎn)T2、T4、T6和T8的最高溫度值明顯高于其對(duì)應(yīng)通風(fēng)上游的T1、T3、T5和T7測(cè)點(diǎn)，距離火源較近的通風(fēng)下游測(cè)點(diǎn)T8是所有溫度測(cè)點(diǎn)中溫度值最高的，并且隨著與火源距離的增加，所能達(dá)到的最高溫度值逐漸降低，通風(fēng)下游測(cè)點(diǎn)與其所對(duì)應(yīng)的上游測(cè)點(diǎn)間最大溫差可接近10 ℃以上。

鑒于火災(zāi)中溫度探測(cè)器多是以其溫度達(dá)到50 ～70 ℃作為發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)的判定閾值，對(duì)于所研究的各火災(zāi)場(chǎng)景，測(cè)點(diǎn)T1～T8的溫度值首次達(dá)到50 ℃的時(shí)間結(jié)果如表1所示。由表中結(jié)果可以看出，在所研究的火災(zāi)發(fā)生后200 s內(nèi)，當(dāng)火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)0.002 9 kW/s2時(shí)，測(cè)點(diǎn)T1～T8均未能達(dá)到50 ℃，當(dāng)火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)a 為 0.011 7 kW/s2、0.046 9 kW/s2和 0.187 6 kW/s2時(shí)，測(cè)點(diǎn)T1～T8的溫度值均可以達(dá)到50 ℃以上，并且隨著火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)的增大，各測(cè)點(diǎn)溫度值達(dá)到50 ℃所需的時(shí)間最大值由177 s逐漸減少至92 s。另外，對(duì)于同一種火災(zāi)場(chǎng)景，測(cè)點(diǎn)T8最先達(dá)到50 ℃，其次為測(cè)點(diǎn)T7和T6，距離火源較遠(yuǎn)的通風(fēng)上游區(qū)域測(cè)點(diǎn)T1和T3達(dá)到50 ℃時(shí)間最晚。

表1 各火災(zāi)場(chǎng)景中各溫度測(cè)點(diǎn)溫度值首次達(dá)到50 ℃的時(shí)間Tab. 1 The time when the temperature reached 50℃ for the first time in each fire scenario

對(duì)于各火災(zāi)場(chǎng)景，測(cè)點(diǎn)T1～T8的溫度隨時(shí)間變化如圖7所示，圖中對(duì)測(cè)點(diǎn)溫度變化初期進(jìn)行放大。由圖中可以看出，由于火源位于艙室靠近通風(fēng)上游的角落處，其正上方最近溫度測(cè)點(diǎn)為T(mén)7，因此各火災(zāi)場(chǎng)景產(chǎn)生的熱煙氣均使其上部最近測(cè)點(diǎn)T7的溫度最先開(kāi)始上升，通風(fēng)下游測(cè)點(diǎn)T8溫度隨后才上升，而測(cè)點(diǎn)T8的溫度上升速度明顯高于測(cè)點(diǎn)T7，致使T8的溫度值很快超過(guò)測(cè)點(diǎn)T7而成為所有測(cè)點(diǎn)中溫度值最高的測(cè)點(diǎn)，這說(shuō)明盡管火源所在上方的通風(fēng)下游區(qū)域溫度測(cè)點(diǎn)溫度值是所有測(cè)點(diǎn)中最高的，但是火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣最先影響的還是其正上方距離最近的溫度測(cè)點(diǎn)，隨后才在通風(fēng)的影響下使熱煙氣作用于通風(fēng)下游區(qū)域溫度測(cè)點(diǎn)。

火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)0.011 7 kW/s2時(shí)，火災(zāi)發(fā)生后60 s、90 s和150 s時(shí)刻，溫度測(cè)點(diǎn)所在高度平面溫度分布如圖8所示?？梢钥闯?，火源引起的近艙室上壁面區(qū)域溫度變化影響區(qū)域首先是火源正上方區(qū)域及其通風(fēng)下游區(qū)域，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，高溫區(qū)域在通風(fēng)下游向遠(yuǎn)離火源的區(qū)域逐步擴(kuò)大，遠(yuǎn)離火源的通風(fēng)上游區(qū)域在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)受火災(zāi)高溫?zé)釤煔獾挠绊戄^小。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)采用數(shù)值方法對(duì)一有通風(fēng)的船舶彈藥艙室內(nèi)4種不同火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)形成的不同類(lèi)型角落火災(zāi)進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)200 s內(nèi)的火災(zāi)初期結(jié)果比較分析得到：

1）隨著火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)增大，相同時(shí)間內(nèi)各溫度測(cè)點(diǎn)所能達(dá)到的最高溫度值逐漸增大，并且位于通風(fēng)下游的溫度測(cè)點(diǎn)所能達(dá)到的最高溫度值明顯高于其對(duì)應(yīng)通風(fēng)上游的測(cè)點(diǎn)，最大溫差可接近10 ℃以上。

2）當(dāng)火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)a大于0.011 7 kW/s2時(shí)，艙室上壁面附近各溫度測(cè)點(diǎn)值均可以達(dá)到50 ℃以上，并且隨著火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)的增大，各測(cè)點(diǎn)溫度值達(dá)到50 ℃以上所需的時(shí)間最大值由117 s逐漸減少至92 s，位于火源所在上方的通風(fēng)下游測(cè)點(diǎn)是所有測(cè)點(diǎn)中最先達(dá)到50 ℃，距離火源較遠(yuǎn)的通風(fēng)上游區(qū)域測(cè)點(diǎn)達(dá)到50 ℃所需的時(shí)間耗時(shí)最長(zhǎng)。然而，但是火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣最先影響的還是其正上方距離最近的溫度測(cè)點(diǎn)，隨后才在通風(fēng)的影響下使熱煙氣作用于通風(fēng)下游區(qū)域溫度測(cè)點(diǎn)。

3）由靠近通風(fēng)上游區(qū)域的艙室角落處火源引起的近艙室上壁面區(qū)域溫度變化影響區(qū)域首先是火源正上方區(qū)域及其通風(fēng)下游區(qū)域，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，高溫區(qū)域在通風(fēng)下游向遠(yuǎn)離火源的區(qū)域逐步擴(kuò)大，高溫區(qū)域主要集中在艙室通風(fēng)下游，遠(yuǎn)離火源的通風(fēng)上游區(qū)域在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)難以受到火災(zāi)高溫?zé)釤煔獾挠绊憽?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]宋靠華. 水面艦艇彈藥艙的安全性設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)艦船研究,2007, 2(4): 26–30, 36.

[2]王磊. 艦艇火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系研究[C]//全國(guó)海事技術(shù)研討會(huì), 2008, 34–39.

[3]羅華東, 浦金云, 任凱. 封閉空間火災(zāi)煙氣溫度特性的數(shù)值模擬研究[J]. 江蘇船舶, 2013, 30(6): 8–10.

[4]封海寶, 眭愛(ài)國(guó). 對(duì)船舶機(jī)艙火災(zāi)的模擬研究分析[J]. 中國(guó)水運(yùn), 2010, 10(12): 112–113.

[5]周夢(mèng)妮, 孟夢(mèng), 張樂(lè), 等. 不同進(jìn)風(fēng)速度下船舶機(jī)艙火災(zāi)煙氣組織特性研究[J]. 科技資訊, 2012, 35: 209.

[6]陳曉洪, 楊楓, 李其修, 等. 艙室火災(zāi)轟然現(xiàn)象重構(gòu)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬[J]. 消防科學(xué)與技術(shù), 2013, 32(4): 354–357.

[7]MCGRATTAN K B, HOSTIKKA S, FLOYD J E, Fire dynamics simulator (version 5), user′s guide. gaithersburg,maryland, USA: national institute of standards and technology,2007.

[8]ISO Standard, Fire safety engineering-selection of design fire scenarios and design fires[S]. ISO/TS 16733-2006.