舰艇防火分区内火灾蔓延数值模拟

舰艇防火分区内火灾蔓延数值模拟 1 1 1 2博张光辉, 浦金云, 李营, 曹 ()1. 海军工程大学 船舶不动力学院, 湖北 武汉 430033; 2. 海军装备部 武汉局, 湖北 武汉 430033 摘 要: 为了建立多舱室间烟气蔓延模型, 计算舰艇防火分区内各舱室的火灾烟气温度、高度随时间的变 化, 并用计算结果指导舰艇防火决策。 首先假设防火分区内起火舱室的烟气沉降符合双层区域模型, 而烟气 经过通风口蔓延到相邻舱室时没有卷吸现象发生; 然后运用质量、能量守恒和气体状态方程建立防火分区内 2 多舱室烟气蔓延模型。应用该模型对某舰艇防火分区的按照发展的火灾场景进行计算, 计算结果比美国的t 软件计算的结果略高出 10% , 主要原因是中考虑了下层冷穸气温度变化。C FA ST C FA ST 关键词: 防火分区; 双层区域模型; 火灾蔓延 () 中图分类号:文献标识码: U 664 文章编号: 100923443 2009增刊20027206 A C om p u te r s im u la t io n fo r f ire s p re a d ing in v e s s e l f ire p ro o f ing s ub a re a 21 1 1 2,2, ,CA O B o Z H A N G G u a n g h u i PU J in y u n L I Y in g (1. , , 430033, ; Sh ip and Pow e r Co llegeN ava l U n ive r sity o f E ng inee r ingW uh an C h ina )2. , 430033, W uh an B u reau o f N avy E qu ipm en t D ep a r tm en tW uh an C h ina A b s t ra c t: T o se t up sm o k e sp read in g m o de l fo r m u lt i2cab in in ve sse l f irep roo f in g su b a rea, sm o k e tem p e ra2 , tu re an d h e igh t t ren d w ith t im e in each cab in w e re com p u tec lan d th e re su lt s w e re u sed in f ire f igh t in g de2 22. c isio n m ak in gF ir st ly it w a s suppo sed th a t sm o k e su b sid in g in f ire cab in acco rd s w ith th e tw o laye r zo n e . , m o de l an d sm o k e sp read in g th ro u gh th e op en w ill no t w rap a irT h en th e law o f m a ss co n ve r sa t io n th e law o f en e rgy co n ve r sa t io n an d th e ga s sta te equ a t io n w e re refe r red to e stab lish th e m o de l in th e ve sse l f ire2 . 10 .p roo f su b a reaT h e re su lt s b y C FA ST so f tw a re w e re p e rcen t low e r th an tho se com p u ted b y th e m o de l .T h e rea so n is th a t C FA ST so f tw a re tak e s th e ch an g in g tem p e ra tu re in low e r laye r in to co n side ra t io n : ; 2; Ke y w o rd s f irep roo f in g su b a reatw o laye r zo n e m o de lf ire sp read in g 目前, 火灾模拟主要包括场模拟和区域模拟, 在参数。 区域模拟中, 双层区域模拟应用最广泛, 其思想是将 起火房间分为上下两个区域: 上层烟气和下层穸气, 如图 1 所示, 并假定每个区域内各物理参数均匀一 致, 而区域不区域之间的质量、能量没有直接交换, 1 它们的交换是通过羽流来实现的。 然后由质量守 恒原理、能量守恒原理、气体状态方程、热力学定律 等原理导出一组控制方 程, 求 解 火 灾 的 主 要 物 理 图 1 双层区域模型 2. 1 F igTw o laye r f ire m o de l 收稿日期: 2008207209. ( ) 作者简介: 张光辉 1979- , 男, 博士生. ()解 放 军 理 工 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 10 卷 28 蔓延的数值模拟计算。 即使有相关的计算也是依靠 : T u 是上层烟气温度, T L 是下层穸气温度。 整 式中2 ～ 4 软件的辅助计算。舰艇火灾是舰艇安全 C FA ST 理得: ? ? ? 的主要危害之一, 在舰艇火灾结构防护中, 通常将舰 ) (= 017+ - ƒƒdT u d tQ C P T L m P C P T um P 5 艇分成若干个防火分区, 防火分区舱壁采用60A ()() 7 [- ]。C p ΘuA H Z 防护, 主要通道要求为高强度水密门, 因此火灾蔓延 () 3舱室内烟气密度求解一般只局限在防火分区内部。 当舰艇防火分区内发 假设烟气和穸气都是理想气体, 则根据 PV = 生火灾后, 如何正确预测火灾的温度, 蔓延趋势成为 , 可知 = ƒ, 其中, 为舱室压力,nR T Θu P ΘL T L P L T u P 舰艇火灾损害管制的主要问题。 为下层冷穸气密度, 为冷穸气温度, 为环境 ΘL T L P L 6 压力, 所以要求烟气层密度, 必须求解舱室压力。 1 舰艇防火分区内单室火灾的数理模型根据压力微分方程如下: rrΧ- 1 ()() 8 dP d t = ƒQ co nv - Q ven t 单室火灾模型主要是用于研究起火室的温度变 V ? 化和烟气层沉降问题。 双层区域模型就是将起火舱 式中: Χ= 114 是定压比; V 是舱室容积; Q ven t 是从舱 ? 室分成 2 个控制体, 即上层烟气控制体和下层穸气 0, v 室开口处流出的热流率, 对于封闭单舱室Q en t = 控制体, 各控制体的物理参数均匀; 鉴于舰艇舱室气 ? ? u 对于有开口的舱室, 其Q ven t = C p m o u t T 。 密性很好, 故假设起火舱室完全封闭; 同时假设烟气 和穸气是分子量相同的理想气体。根据假设, 运用质 2 舰艇防火分区内多室火灾的数理模型 量、能量守恒原理推导上下两层分界层的高度和上 舰艇防火分区内可能存在像水密门、通风口等 部烟气层的温度。 开口, 这些开口将相邻的舱室连通起来, 它们保障舰 () 1下层穸气控制体质量守恒r r r 员生活、工作和逃生。但是发生火灾后, 热量、烟气则 m + m + m = ()0, L P e 1 ? ? ? 通过这些开口向相邻的舱室蔓延导致灾害范围扩 式中: m L 是下层的质量变化率; m P 为羽流流量; m e 大。 假设将火灾通过通风口的蔓延过程分成 2 个阶 ? 为泄漏量, 此处m e = 0。根据质量变化率的定义可知, 段, 如图 2 所示。 r()m = ΘA dZ ƒd t, 2 L L 式中: 为下层穸气的密度; 为舱室的面积; 为 ΘL A Z 烟气层的高度。受限穸间内可燃物燃烧以后, 大部分 热量通过对流进入其周围气体, 从而产生浮力羽流, 该羽流又将卷吸下层气体而进入上层, 从而羽流是 上下层之间质量和能量交换的主要途径。 关于火羽 流 流量的计算方法很多, 其中经验关联M cC aff rey 3使用最为广泛, 其羽流流量的经验公式如下:式 r r r ƒ5 01566 2() m Q = 01011 Z Q ,ƒƒP co nv 1 co nv r5 2ƒ()0108; 3 0 < Z Q <ƒ1 co nv r r r ƒ5 01909 2) (m Q = 01026 Z Q ,ƒƒP co nv 1 co nv r 5 2ƒ() 4 0108 < Z Q < 0120 ;ƒ1 co nv r r r 2ƒ5 11895 ) (m ƒQ = 01124 Z ƒQ ,P co nv 1 co nv rƒ5 2()5 0120 < Z ƒQ ,1 co nv ? ? 式中: = 表示火源热释放速率中通过对流换Q co nv ΓQ 热传入羽流中的份额, , , 一为份额系数是经验值Γ Γ ? 般取值 Γ= 017; Q 为火源的热释放速率, Z 1 是可燃物 表面至计算羽流质量流量处的高度, 即 = 。Z 1 Z () 2上层烟气控制体能量守恒图 2 烟气通过通风口的蔓延过程 ? ()() 6 ƒ= - - , C Pm u dT u d tQ co nv C pm p T u T L . 2 F igCo u r se o f th e sm o k e sp read ing th ro ugh doo r 张光辉, 等: 舰艇防火分区内火灾蔓延数值模拟增刊 29 第 1 阶段, 烟气在起火舱室侧蔓延到通风口上 边沿; 该过程采用单室火灾的数理模型计算, 将邻舱 作为下层穸气控制体的一部分。 第 2 阶段, 烟气通过通风口向相邻舱室蔓延至 两侧压力差为零。 该过程中假设火羽卷吸现象只发 生在起火舱室, 即邻舱烟气向舱顶运动时无卷吸发 生, 且烟气流出由浮力驱动。 假设舰艇防火分区内有 2 个舱室, 舱室间水密 图 3 防火分区舱室布局图 门在烟气蔓延过程中处于开状态, 而其它所有门、孔 ’. 3 F igL ayo u t o f th e ve sse ls p roo f ingf ire suba rea 都处于闭状态。则第2 阶段的假设条件和质量、能量 守恒得:上有 115 m ×019 m 的水密门, 如图 3 所示。 防火分 3 () 1将防火分区所有舱室视为整体, 根据下层穸 区内初始温度为293 , 穸气密度为112 , 穸气 ƒK k g m ()() 气控制体质量守恒式 1～ 5, 定 压比热 为 11004 ƒ×环 境 压 力 为 1 ×, C p kJ k g k rr5 () m = - m = - ΘA dZ ƒd t - ΘA dZ ƒd t, 9P L L 1 1 L 2 2 10。P a 式中: 为起火舱室的面积; 为相邻 舱 室 的 面 A 1 A 2 12 防火分区内火灾场景设置 3积; 为起火舱室烟气层高度; 为相邻舱室烟气 Z 1 Z 2 层的高度。 在舰艇防火分区, 需要考虑的火灾场景很多, 不 () 2将防火分区内 2 个舱室各自视为研究对象, 可能把所有的场景穷丼出来, 一般是把可能最不利, 则根据伯努利方程, 烟气由起火舱室向邻舱蔓延的 危害后果最大的典型情况作为火灾场景。 火灾场景 1 流量为: 不是真实火灾, 它是在对大量的, 已发生的火灾数据 r 3ƒ2 (() ) m o u t = 23× C a × B × H doo r - Z Θ× ƒ1 L ( ) 包括火灾实验的统计基础上, 集成抽象出来的具 12 ƒΘ-ΘT ƒT L L L u 17 ()有典型特征的特定火灾。 假设火灾发生在舱室 1 10 , 2 × g × Θ L2 底部正中央, 火灾发展按照 t 模型进行, 其表达为: r ()m = - ΘA dZ ƒd t, 11 o u t u 22 2 2 () 011878 × t Kw s, t < 3216 s; ƒ r? Q = 式中: m o u t 为起火室向相邻舱室蔓延的烟气流量; C a () s, 200 Kw ƒt ? 3216 s。 为流通系数取 017; 为通风口的宽度; 为起火室 B T u 1 313 结果分析 烟气层的温度; 为水密门的高度; 为邻舱烟H doo r Θu 2 气密度。算例计算采用M a t lab 编程, 由于涉及到非线性 () 3根据各舱室上层烟气控制体能量守恒, 得:常微分问题, 故采用数值解法进行求解, 选用四阶龙 r r () 017Q + C A Z T d t = Θ ƒC T m - P u 11 H- 1 du 1 P L P 格—— 库塔方法。 r r C T m - C m T , ()P u 1P Po u t u 1 12 () 1当所有水密门关闭时, 起火舱室燃烧相当于r () () - C P Θu 2A 2 HZ 2 dT u 2 ƒd t = C Pm o u t T u 1 - T u 2 ,密 闭穸间燃烧, 烟气迅速沉降, 约在 180 内沉降到 s ()13 底部, 舱室烟气层的温度最高达到 482 , 如图 4、5K 式中: 为邻舱烟气层的温度; 为起火舱室烟气T u 2 Θu 1 所示。 密度。() 2当上层邻舱水密门打开, 而防火分区内其他 水密门都关闭时, 起火舱室烟气沉降到底部的时间 3 算例为 275 , 最高温度约 480 , 最高温度基本不变, 但 sK 是沉降时间延长了约 100 ; 上层邻舱最高温度为s 311 防火分区结构及初始条件 438 , 当起火舱室的烟气沉降到底部时, 上层邻舱 K 的烟气沉降到 012 , 如图 6～ 9 所示。m 舰艇中某一防火分区的布局和尺寸, 如图 3 所 () 3当上层和下层邻舱水密门都打开时, 起火舱示, 包括 3 个舱室, 起火舱室为 12 ×8 ×5 , 相 m m m 室烟气沉降到底部的时间为 345 , 最高温度约 480s邻上层舱室为 12 ×8 ×212 , 相邻下层邻舱室 m m m , 最高温度基本不变, 沉降时间延长了约 170 ; 上K s为 12 ×8 ×218 。 舱室间、防火分区首尾舱壁m m m ()解 放 军 理 工 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 10 卷 30 注: 所有水密门关闭。 注: 上层邻舱水密门打开, 其他门关闭。 图 4 起火舱室内的烟气层温度 图 7 起火舱室烟气层高度. 4 F igSm o k e tem p e ra tu re in th e f ire cab in . 7 F igSm o k e h e igh t in th e f ire cab in 注: 所有水密门关闭。 注: 上层邻舱水密门打开, 其他门关闭。 图 5 起火舱室烟气层高度 图 8 上层邻舱的烟气层温度. 5 F igSm o k e h e igh t in th e f ire cab in . 8 F igSm o k e tem p e ra tu re in th e sup e r st ra tum cab in 注: 上层邻舱水密门打开, 其他门关闭。 注: 上层邻舱水密门打开, 其他门关闭。 图 6 起火舱室内的烟气层温度 图 9 上层邻舱的烟气层高度. 6 F igSm o k e tem p e ra tu re in th e f ire cab in . 9 F igSm o k e h e igh t in th e sup e r st ra tum cab in 和下层邻舱最高温度为 420 K , 当起火舱室的烟气 : 密闭舱室燃烧的最高温度为 440 K , 沉降到底 结果沉降到底部时, 上层邻舱的烟气沉降到 0115 , 下 m 部的时间为 240 ; 当上层邻舱水密门打开时, 起火 s层邻舱烟气沉降到 012 , 如图 10～ 15 所示。m 舱室最高温度 410 , 起火舱室烟气沉降到底部的( ) K 4采用 C FA ST 软件对算例进行模拟计算的 张光辉, 等:舰艇防火分区内火灾蔓延数值模拟增刊 31 注: 上下层邻舱水密门都打开。 注: 上下层邻舱水密门都打开。 图 10 起火舱室内的烟气层温度 图 13 上层邻舱的烟气层高度 . 10 F igSm o k e tem p e ra tu re in th e f ire cab in F ig. 13 Sm o k e h e igh t in th e sup e r st ra tum cab in 注: 上下层邻舱水密门都打开。 注: 上下层邻舱水密门都打开。 图 11 起火舱室烟气层高度 图 14 下层邻舱的烟气层温度 . 11 F igSm o k e h e igh t in th e f ire cab in F ig. 14 Sm o k e tem p e ra tu re in th e unde r laye r cab in 注: 上下层邻舱水密门都打开。 注: 上下层邻舱水密门都打开。 图 12 上层邻舱的烟气层温度 图 15 下层邻舱的烟气层高度 . 12 F igsm o k e tem p e ra tu re in th e sup e r st ra tum cab in . 15 F igSm o k e h e igh t in th e unde r laye r cab in 时间为 330 s, 当起火舱室的烟气沉降到底部时, 上 , 上层邻舱烟气的最高温度为 390 K , 沉降到底部时 层邻舱的烟气沉降到 014 ; 当上层和下层邻舱水 m 沉 降到 013 ; 下层邻舱烟气温度最高为 380 , 沉 m K 密门都打开时, 起火舱室最高温度 420 , 起火舱室 降到 013 。 不文中计算的烟气平均温度相对误差 K m 约 为 10% , 同时刻的烟气高度沉降相对误差约为 烟气沉降到底部的时间为 380 , 当起火舱室的烟气s ()解 放 军 理 工 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 10 卷 32 3 W A L T ER W J , R ICHA RD D P , GL EN N P F , e t a l. 12% 。 其主要原因是 C FA ST 计算中考虑了下层冷 2C FA ST co n so lida ted m o de l o f f ire g row th and sm o k e 穸气温度变化, 其温度逐渐升高, 因此烟气吸热量值 , 6 . : t ran spo r tV e r sio n R Ga ith e r sbu rgN a t io na l In2 相对较少, 温度相对较低, 烟气高度也相对较高。 1026, st itu te o f S tanda rd s and T ech no lo gy, N IST IR 2005. 4 结语 4 M C GRA T TA N K B , BA UM H R , R EHM R G. e t a l. F ire dynam ic s sim u la to r: tech n ica l refe rence () 1结合火灾区域模拟的思想, 通过防火分区内 , 2 . : gu ideV e r sio n S Ga ith e r sbu rgN a t io na l In st i2 烟气质量守恒和能量守恒, 采用四阶龙格库塔数值 , 6783 tu te o f S tanda rd s and T ech no lo gyN IST IR 解法计算舰艇防火分区内多舱室间火灾蔓延后烟气 ()2001. 的温度、沉降高度和时间, 其结论不 计算结 C FA ST 5 王志国, 杨志青, 冯明初, 等. 舰船大穸间舱室火灾模拟 ( ) 论基本一致, 说明本数理模型是正确的。 海军工程大学学报, 2003, 15 4: 422 及防火 [J . ( ) 44. 2该数理模型可以作为舰艇损害管制决策支 222, , , W A N G Zh iguo YA N G Zh iq ingF EN G M ingch u 持系统的一部分, 用于预测火灾烟气蔓延过程, 评估 . e t a lF ire sim u la t io n and f irep roo f ing de sign o f b ig 舰艇防火分区内因火灾导致的灾害程度, 如当烟气 [ . cab in in w a r sh ip J Jo u rna l o f N ava l U n ive r sity o f 沉降到 115 时, 火灾烟气将影响到人员的行动, 所 m () ( ), 2003, 15 4: 42244. .E ng inee r ingin C h ine se 以按照算例计算, 起火舱室内的人员必须在 65 前 s 6 高宇飞, 程远平, 刘 静. 火灾区域模型中压力方程的 撤 离舱室; 起火 10 后, 烟气将向上层邻舱蔓延; 起 s () 求解[J . 消防科学不技术, 2005, 24 5: 32236.火65 后, 烟气将向下层邻舱蔓延。所以人员必须在s 22, , . GA O Yu fe iCH EN G Yuan p ingL IU J ingC a lcu2 70 s 内关闭水密门等。[.la t ing o f p re ssu re equa t io n s in f ire zo ne m o de ling J ( ) ( , 2005, 24 5: 32236. F ire Sc ience and T ech no lo gyin 参考文献: ).C h ine se 张光辉, 浦金云, 陈 霖. 舰艇舱室性能化防火设计研7 1 孟 岚, 周允基. 2双层区域模型对单室火灾 Tw o laye r () 安全不环境学报 2007, 7 4: 26229. 究[J . () 的模拟[. 哈尔滨工程大学学报, 2002, 23 4: 56262.J 22, , . ZHA N G Guangh u iPU J in yun CH EN L inR e2 , 2. M EN G L an ZHOU Yun jiN um e r ica l sim u la t io n o f 2sea rch o n m a r ine p e rfo rm anceba sed f ire p ro tec t io n 2f ire in a sing le room by u sing a tw o laye r zo ne m o de l [. , 2007, 7de sign J Jo u rna l o f Safe ty and E nv iro nm en t [ . , 2002,J Jo una l o f H a rb in E ng inee r ing U n ive r sity () ( )4: 26229. .in C h ine se () ( )23 4: 56262. . in C h ine se . 2 U IN T IER EJ QF undam en ta ls o f enc lo su re f ire () 责任编辑: 汤雪峰 ‘’[ . zo ne m o de ls J Jo u rna l o f F ire P ro tec t io n E ng i2 () 2119., 1989 1: 99nee r ing