蔣曉剛　苑志江　鄭智林　金良安

摘要：對于船舶住艙等小型艙室而言，人員相對密集而火災事故造成的煙氣又難以通過有效手段排放。針對船舶住艙火災煙氣控制所采用的典型排煙方法，運用火災動力學軟件PyroSim進行數值模擬計算，并精心采用仿真驗證試驗，研究無排煙和排煙機工作時的船舶艙室煙霧蔓延規(guī)律，在此基礎上依據燃燒所產生的熱量設置6種排煙機功率依次增大的排煙工況，研究不同工況排煙機功率和補風條件下的控煙效果，得出較為接近實際的煙氣蔓延流動時煙氣溫度和煙氣濃度等特性參數的變化規(guī)律，以及優(yōu)化選擇最佳的補風方式和排煙功率的總體思路。研究結果對于船舶艙室煙氣高效防控具有一定的理論和現實指導意義。

關鍵詞：艙室火災;仿真實驗;煙氣控制;排煙機功率;補風量

中圖分類號：X913.4

文獻標志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）02–0042–06

0 引言

鑒于船舶排風系統(tǒng)和管路布置的復雜性，一般船舶住艙內僅分布有通風系統(tǒng)，并未設置艙室排煙系統(tǒng)，一旦發(fā)生火災，住艙往往只能依靠移動式排煙設備進行低位排煙。由于火災煙氣的流動特性，低位排煙機的效率受到較大影響[1]，然而住艙等艙室發(fā)生火災后對人員安全的威脅往往最大，因此研究移動排煙設備的排煙效率顯得十分重要。

目前，關于火災煙氣控制方法的研究主要分為民用和軍用兩個方面，在民用方面多集中于高層建筑物、地鐵通道、隧道等控煙方法的研究，例如，李雪飛[2]對層高為29m的中庭火災進行了機械排煙效果研究，通過對補風口面積和風機排量等參數的改變得出了自然補風和機械補風條件下排煙效果較好的參數設置;姜學鵬等[3]對公路隧道排煙系統(tǒng)的排煙效率進行了研究，通過縮比試驗研究了多個火源功率和不同機械排煙條件下的臨界排煙速率試驗值，表明了臨界排煙速率試驗值與火源功率線性相關;王歡等[4]運用數值模擬方法對擋煙垂壁在長通道煙流控制中的作用進行了研究，結果表明由于垂壁高度的不同，擋煙垂壁對其上下游煙氣溫度分布的影響分別表現為減緩衰減與加速衰減2種效果。在軍事方面多集中于機庫、機艙等大型艙室的控煙方法研究，例如，劉伯運等[5]對大型艦船機庫機械排煙系統(tǒng)優(yōu)化設計進行了研究，采用正交試驗和極差方差分析方法在一定程度上得到了機械排煙系統(tǒng)的最佳配置方案;劉義[6]對船舶機艙火災煙氣填充及控制技術進行了研究，通過全尺寸實驗研究了送風口位置、風機啟動時間和排煙量等因素對煙氣控制的影響;金鍵等[7]對大型艦船直升機機庫排煙系統(tǒng)優(yōu)化進行了研究，提出了利用機庫的自然排煙和機械排煙相結合的方法對機庫火災實施除煙，并采用FDS軟件進行了模擬。

煙氣的肆意蔓延對于人員的安全逃生極其不利，火災事故造成的人員傷亡大多數是由于煙氣無法有效控制形成高溫窒息環(huán)境引起的[8-9]，尤其是對于船舶住艙等小型艙室而言，人員相對密集而煙氣又難以通過有效手段排放，然而目前針對船舶住艙等小型艙室的煙氣控制方法相對較少，因此本文運用PyroSim模擬計算，分析了煙氣蔓延流動時煙氣溫度和煙氣濃度等特性參數的變化規(guī)律，優(yōu)化選擇最佳的補風方式和排煙功率，研究結果對于船舶艙室煙氣高效防控具有一定的理論和現實指導意義。

1 模型建立

1.1 艙室?guī)缀文Ｐ?/p>

以某船舶部分艙室及通道為原型，依據現代船舶設計原則，艙室及通道尺寸為15.5m×7.0m×2.2m，內設4個艦員住艙、2個衛(wèi)生間、1個廚房和1組通道，通道同一側的2個艦員住艙之間公用1個衛(wèi)生間，每個艙室均設置有不同數量的舷窗和門，忽略船舶艙室外部尺寸和細小部件的影響，建立簡化后的船舶艙室?guī)缀文Ｐ腿鐖D1所示。

1.2 參數設置

1）火源設置

火源位于其中一個艦員住艙，面積為0.5m×0.4m，結合實際情況，將火源設計在棉被之上，棉被最終被完全燒毀。實驗研究表明[10]，在熱輻射強度大于6kW/m2時，在使用點火器的情況下，棉花可發(fā)生明火燃燒，燃燒后最大熱釋放速率可達65kW/m2，按照火勢發(fā)展最為嚴重的情況考慮，將棉花熱釋放速率設定為65kW/m2，環(huán)境溫度設置為20°C，艙壁材質設置為STEEL。另外，查閱相關資料[11-12]，棉花的主要組分為纖維素94%，蛋白質1%～1.5%，果膠酸1%，礦物物質1%，酸、糖2%，蠟0.5%，以此為依據將PyroSim中燃燒反應的C、H、O、N4種元素的含量比例設置6.3∶7.1∶2.1∶1.0。

2）監(jiān)測點設置

起火艙室的溫度和煙氣變化規(guī)律是需要考察的重要對象，內部通道和兩端出口是人員逃生的重要路徑，因此在設置監(jiān)測點時需要重點考慮上述位置?？紤]到船舶艙室空間較小，人員密度大，人體耐受的臨界值相應降低，將地板以上1.5m處平面上煙氣溫度超過60°C、煙氣能見度小于5m作為危險狀態(tài)的判定標準。具體監(jiān)測點設置為Z=1.5m平面上，通道1中心線X=6.0m，通道2中心線Y=3.5m處，火源所在房間中心區(qū)域（X=8.5m，Y=2.5m）處，起火艙室出口位置X=9m處，其他各艙室的中心區(qū)域（X=2.5m，Y=3.5m），（X=11.0m，Y=1.5m），（X=13.5m，Y=1.5m），（X=8.5m，Y=5.5m），（X=11.0m，Y=5.5m），（X=13.5m，Y=5.5m），監(jiān)測煙氣參數的變化規(guī)律。

3）網格設置

關于模型的網格尺寸，采用PyroSim推薦的無量綱數D?/δx判據求得，根據Kevin等做的網格獨立性測試實驗，得出火源特征直徑D?與計算網格尺寸δx的比例在4～16之間時，可以得出一個合理的求解結果[13]，其中火源特征直徑表達式為：

式中：Q——火源熱釋放速率，kW/m2;

ρ0——空氣密度，1.205kg/m3;

Cp——空氣的定壓比熱，1.0006kJ/（kg?K）;

T0——環(huán)境初始溫度，20°C;

g——重力加速度，9.8m/s2。

火焰穩(wěn)定功率為65kW，計算可得D?為0.86。綜合考慮計算結果的準確性以及計算機的性能，本文采用δx=0.1m網格尺寸進行計算，網格分布為150×80×25，網格總數為300000。

4）初始環(huán)境設置

初始溫度設定為20°C，壓強為1.0132×105Pa，煙氣初始濃度為0，且艙室各處初始溫度和壓強相同，將計算時間設定為120s。

2 仿真實驗及數據分析

為了考察排煙機對于艙室煙氣蔓延規(guī)律的影響，首先對未設置排煙機時的艙室煙氣蔓延規(guī)律進行仿真研究，結合人員逃生救生，主要從煙氣溫度和煙氣能見度兩方面進行研究。

2.1 無排煙時的煙氣特性

1）煙氣溫度特性

由于艦艇的外殼均是金屬材質，起火艙室溫度的升高對臨艙等附近艙室影響較大，出于消防和人員安全考慮，對模型中的4個住艙和相鄰衛(wèi)生間溫度進行對比分析。

圖2是未設置排煙機時住艙及衛(wèi)生間在Z=1.5m處煙氣溫度變化曲線，住艙1的溫度在起火不到20s即超過了60°C，已高于人體承受極限。同時相鄰衛(wèi)生間1的溫度也接近60°C，表明艙室金屬材質的導熱性極好，隨著艙室距離著火點距離的增加，溫度逐漸下降，距離著火點最遠的住艙4溫度已經下降到25°C左右。

另外，通道內部的煙氣溫度傳播趨勢如圖3所示，可知通道煙氣溫度在起火艙室門口最高，并快速向通道四周蔓延。在燃燒進行到80s時，煙氣溫度在通道內已經傳播的十分充分，這可為火災和人員施救時間提供參考。

圖2是未設置排煙機時住艙及衛(wèi)生間在Z=1.5m處煙氣溫度變化曲線，住艙1的溫度在起火不到20s即超過了60°C，已高于人體承受極限。同時相鄰衛(wèi)生間1的溫度也接近60°C，表明艙室金屬材質的導熱性極好，隨著艙室距著火點距離的增加，溫度逐漸下降，距離著火點最遠的住艙4溫度已經下降到25°C左右。

2）煙氣能見度特性

煙氣能見度對于人員逃生救生而言具有重要研究價值，能見度的高低直接影響人員對于逃生路徑的選擇，鑒于上述原因，在T型通道內相應位置布置能見度傳感器，傳感器布置在Z=1.5m的平面上，具體位置為：傳感器1（X=6.0m，Y=4.5m），傳感器2（X=6.0m，Y=2.5m），傳感器3（X=6.0m，Y=6.5m），傳感器4（X=6.0m，Y=0.5m），傳感器5（X=8.0m，Y=3.5m），傳感器6（X=12.0m，Y=3.5m），建模仿真結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著燃燒的進行，煙氣能見度越來越低，在燃燒至40s時能見度數值下跌至5m以內，表明煙氣濃度增大極快，如果不及時排除濃煙，將對火災及人員施救產生極其不利的影響。在不考慮自然通風的情況下，由于煙氣自身的湍流性質，靠近通道出口位置的傳感器3和傳感器4能見度數值起伏較大，在燃燒進行40s后基本維持在5m左右?？拷ǖ雷顑葌鹊膫鞲衅?在燃燒進行至60s以后能見度數值已經下跌至2m左右，可見在環(huán)境相對封閉的船舶艙室內部，煙氣能見度下降極快。

2.2 排煙機工作時的煙氣特性

1）排煙機設置

顯然，只有當排煙機排煙速率大于煙氣生成速率時，才有可能把煙氣盡快排除，因此首先需要計算當前模型生成煙氣的速率，為選擇排煙機功率提供依據。根據Thomas-Hinkley等[14]在大量試驗和理論研究基礎上提出的軸對稱煙羽流煙氣生成速率計算公式，如式（2）和式（3）所示：

式中：Ce—煙的質量流量系數，當火源發(fā)生在小房間并靠近房間開口時，Ce=0.21kg/（s·m5/2）;Pf—火源周界長度，m;

H—空間高度，m;

Z—煙氣層界面至可燃物表面的垂直高度，m。

為便于確定排煙量，將煙氣生成率me換算為體積生成率V，換算公式為：

式中：V——煙氣體積生成率，m3/s;

ρ0——環(huán)境溫度下空氣密度，取ρ0=1.22kg/m3;

T——計算點煙氣平均溫度，K;

T0——環(huán)境的初始溫度，取T0=293K;

?T——煙氣初始溫度與環(huán)境溫度差，K;

Qc—火源總熱釋放率Q的對流部分，kW/m2（通常0.6QQc0.8Q）;

Cp—羽流中氣體的定壓比熱容，Cp=1.02kJ/（kg·K）。

通過公式計算得出本文棉被燃燒煙氣生成速率為7.5m3/s，因此排煙機排煙量O應不小于7.5m3/s。另外，建筑設計防火規(guī)范中規(guī)定[15]，對于密閉空間設置機械排煙系統(tǒng)時，補風量I不應小于排煙量的50%。為了研究排煙機功率對排煙效果的影響并減少其余參數干擾，依據相關研究數據[1]，將補風量設置為排煙量的75%。排煙機設置在靠近起火點的通道艙門處，排煙面積為50cm×50cm，考慮人員逃生需要，將補風口設置為與排煙機對應的通道另一側艙門。

根據2.1節(jié)仿真結果，火災發(fā)展80s后，煙氣濃度基本達到飽和，為了考察排煙機與補風量對于排煙效果的影響，排煙與補風在火災進行80s后開啟，考察煙氣完全蔓延情況下的排煙效果。結合上述分析，具體工況設置如表1所示。

2）煙氣溫度特性

煙氣溫度與人員耐受度直接相關，人員逃生需要尋求煙氣溫度較低區(qū)域，并且向逃生通道靠近，因此研究逃生通道及出口的煙氣溫度顯得十分重要。結合上述工況，對通道內煙氣溫度變化趨勢進行仿真計算，計算結果如圖5所示。

由圖5可知，經過同樣的排煙與補風時間，工況1（I=5.625m3/s，O=7.5m3/s）通道溫度最高，工況6（I=15.0m3/s，O=20.0m3/s）通道溫度最低，表明在當前補風量與排煙量關系下，排煙機功率越大，煙氣溫度降低越快。

3）煙氣能見度特性

根據補風口和排煙機位置，在通道內選取靠近補風口即逃生出口位置設置能見度傳感器，該位置的能見度對于人員順利逃生具有重要意義，具體計算數據如圖6所示。

由于t在0～80s時排煙機未開啟，各工況煙氣蔓延情況相同，為了更加清楚的觀察排煙機開啟后煙氣蔓延規(guī)律，將t=80s后煙氣能見度數據單獨顯示如圖7所示。

由圖6和圖7可知，在開啟排煙和補風后，工況1至工況6的能見度數值均得到明顯提升，表明排煙機的排煙效果顯著。需要說明的是，工況1到工況4排煙機的排煙效果相似，工況5排煙機的排煙效果明顯提升，之后工況6與工況5排煙效果再次接近，表明在相同煙氣規(guī)模下，選擇適當的排煙機功率和補風條件可達到節(jié)能高效的控煙效果。對于仿真實驗中的6個工況，選擇工況5條件下的排煙機功率和補風條件最符合工程實際。

3 結束語

1）針對船舶住艙等小型艙室排煙效率問題，利用PyroSim建模分析了移動式排煙機對排煙效果的影響，結果表明排煙效率與排煙機功率和補風量成正比。

2）無排煙情況下，燃燒進行20s后艙室溫度即超過了人體的最高耐受溫度，燃燒進行80s后煙氣即充滿了整個空間，能見度也迅速下降至3m以下。開啟排煙設備后，艙室溫度逐漸下降，運行至120s時，通道最高溫度已下降至45°C，并且主要集中在艙室頂部區(qū)域，能見度也快速恢復至5m以上。

3）對于6種排煙機工況，隨著排煙機功率的增大，排煙效果也隨之增強，但是工況1到工況4的排煙效果接近，工況5的排煙效果明顯增強，之后工況6又與工況5排煙效果接近，因此從工程應用角度而言，工況5是較為經濟的排煙方式。

4）隨著補風量的增大，由于新鮮空氣的進入，會造成火勢的進一步擴大，艙室溫度也隨之升高，因而在選擇排煙機功率和補風量時要綜合考慮排煙和火勢蔓延兩種情況，在后續(xù)研究中需要對上述情況進行更加深入地探討。

參考文獻

[1]雷晶晶，周汝，蔣軍成，等.著火房間最優(yōu)化機械排煙效率理論分析[J].南京工業(yè)大學學報（自然科學版），2018，40（4）：125-130.

[2]李雪飛.補風方式對中庭類大空間建筑機械排煙效果的影響[J].消防科學與技術，2016，35（2）：193-197.

[3]姜學鵬，陳姝，郭昆.集中排煙公路隧道臨界排煙速率計算模型[J].中國安全科學學報，2017，27（10）：50-55.

[4]王歡，齊慶杰，周新華，等.擋煙垂壁對長通道頂棚溫度分布的影響研究[J].中國安全科學學報，2017，27（11）：24-30.

[5]劉伯運，胡建華，李昂.大型艦船機庫機械排煙系統(tǒng)優(yōu)化設計[J].消防科學與技術，2016，35（9）：1225-1229.

[6]劉義.全尺寸船舶機艙火災煙氣填充及控制技術研究[D].合肥：中國科學技術大學，2017.

[7]金鍵，仲晨華，牟金磊，等.大型艦船直升機機庫排煙系統(tǒng)優(yōu)化[J].消防科學與技術，2015，34（6）：739-743.

[8]楊天佑.高速列車火災煙氣防治研究[D].成都：西南交通大學，2011：45-55.

[9]李田成.船舶密閉艙火場溫度與煙氣規(guī)律的模擬研究[D].廣州：華南理工大學，2017：12-15.

[10]夏恩亮，劉申友，程旭東，等.棉花陰燃和明火燃燒特性的對比研究[J].火災科學，2013，22（2）：70-76.

[11]孫玉福.實用工程材料手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014：190-192.

[12]歐凱，洪曉斌，文澤貴，等.基于正交試驗的建材燃燒煙密度測試裝置參數組合優(yōu)化[J].中國測試，2014，40（4）：128-131.

[13]KEVINM， GLENNF.User'sguideforfiredynamicssimulator（version4）[M].Washington： U.S.GoverningPrintingOffice， 2004： 20-58.

[14]THOMASH.Ontheupwardmovementofsmokeandrelatedshoppingmallproblems[J].FireSafetyJournal， 1987， 12：191-203.

[15]建筑設計防火規(guī)范：GB50016-2014[S].北京：中國質檢出版社，2014.