李文新，孙 鹏，杨慎林

（1.中国航天员中心，北京 100094；2.中国科学技术大学，合肥 230026）

基于FDS的微重力条件下密闭舱细水雾灭火过程仿真分析

李文新1，孙 鹏1，杨慎林2

（1.中国航天员中心，北京 100094；2.中国科学技术大学，合肥 230026）

文章应用火灾动力学软件（FDS）对微重力条件下载人航天器密闭舱细水雾灭火过程进行仿真分析，得到了电缆火灾扑灭过程中舱内温度和 CO的分布规律。结果表明，一定倾斜角度喷射细水雾不但会促进烟雾的扩散，还会为燃烧增加新鲜空气，使扑灭过程趋于困难。分析认为，微重力环境中的细水雾灭火器喷雾粒径应控制在100～150 µm，且使用时应使喷雾方向与火灾面尽量趋于垂直。

火灾动力学软件；载人航天器；灭火；微重力；细水雾

0 引言

电气火灾作为在载人航天器、深潜器等密闭舱室内的典型火灾形式已经受到广泛关注。而航天器在轨飞行时的失重条件又使该火灾的特点和地面有所不同，因此，研究微重力条件下电气火灾的特性和扑灭过程对于航天器在轨安全运行具有重要意义。

目前，对于电气火灾主要采用二氧化碳、氮气、哈龙等进行灭火，其中：哈龙对环控系统会产生较为严重的腐蚀，且残留物质不易清除[1]；而另外 2种气体则会对舱内氧浓度造成冲击且不易去除。杨立军和邹高万等在对比分析了几种不同类型灭火方式后，认为细水雾灭火在载人航天领域应用前景广阔[2-4]，而NASA为研究细水雾灭火机理曾于“哥伦比亚号”航天飞机 STS-107任务中进行了细水雾灭火系统的搭载试验[5]。赵建贺等已经对载人航天器密封舱内的细水雾灭火过程进行过数值研究[6-7]。本文在前人研究基础上，立足工程应用中细水雾灭火器研制及未来可能的使用工况进行了进一步研究。

1 仿真建模

1.1 FDS软件及算法

本文采用 FDS5.5.3软件对细水雾灭火过程进行建模和数值仿真分析。这个版本的FDS程序对燃烧热释放速率、辐射热传导的计算更加精确，降低了模型对网格的依赖性。同时在网格划分、墙体的热传导、燃烧模型、初始条件设置等方面都更加完善。燃烧模型使用一种能够计算自然耗氧量并解析常数标量方程的综合方法对可燃物中任一部位气态物质的状态比例进行计算和分析。火灾增长和燃烧三维蔓延的细节研究不是FDS模型软件所能够解决的，也不在本文研究范围之内。

1.2 模型介绍

在10 m×3 m×3 m的方形密封舱中建立仿真模型，设燃烧空间为L型，火灾发生位置位于xy平面。初始环境温度设为20 ℃。图1中的粉红色截面可以显示CO体积分数以及温度切面图。在x=5 m、y= 1.5 m垂直截面上，详细测量烟气的能见度、CO体积分数和温度场参数。在火源正上方高度从0.1 m到0.5 m，每隔0.1 m设置1个热电偶，检测火源上方的燃烧温度。在火源正上方高度为1 m的位置设置1个细水雾喷头，假设喷水量为4 L/min，雾化角为90°，热容为4.184 kJ/(kg·K)，喷头在仿真开始即喷水。模型网格大小为0.05 m×0.05 m×0.05 m。

图1 FDS 仿真模型Fig.1 The simulation model of FDS

1.3 火灾场景设计以及细水雾模型

火源模拟电缆火的燃烧，实际上是铜芯外面绝缘材料的燃烧。FDS软件采用网格化划分结构，因此本仿真将电缆火模型简化为长1 m、宽0.2 m的平面火。假设燃烧速率增长为火灾中较常见的t2增长类型，最大燃烧速率为500 kW/m2。细水雾喷头采用垂直喷射方式。

2 不同粒径过程分析

雾滴气化后形成原体积1680倍的水蒸气，最大限度地排斥火场的空气，使燃烧因为缺氧窒息而受到抑制或中断。虽然微重力环境下雾滴穿透火焰的能力减弱，但由于雾场范围扩大，反而可以有效地隔绝与稀释火焰周围的氧气，更大面积地对火源进行冷却[8]。本文为获得不同粒径水雾的灭火效能，选取了2种典型细水雾灭火器的液滴粒径（DV0.99）参数：DV0.99≤150 µm和DV0.99≤400 µm，并对它们进行灭火过程分析，仿真结果如图2和图3所示。

图2 烟粒子以及细水雾粒子分布情况（DV0.99≤150 µm）Fig.2 The distributions of smoke particles and fine water mist particles

图3 烟粒子以及细水雾粒子分布情况（DV0.99≤400 µm）Fig.3 The distributions of smoke particles and fine water mist particles

通过参考文献[5]中的数值仿真结果可以看出，微重力条件下的火源燃烧情况与常规重力条件下不一样。常规重力条件下，火源挥发出的可燃蒸气与周围空气发生热化学反应释放出热量，燃烧产生的热羽流由于浮力的影响会向上运动，碰到顶部后再向四周扩散并下沉，形成顶棚射流。在火羽流运动的过程中会不断地卷吸周围新鲜空气，并将烟雾粒子向周围扩散蔓延[9-10]。而在微重力条件下，由于没有浮力差，不会形成火羽流，并且由于缺少对流，燃烧需要的新鲜氧气需要通过分子扩散运动补充，烟雾也通过分子扩散向四周蔓延。这样火焰就会形成球形，烟雾笼罩在火焰周围，缓慢地向四周扩散。但是细水雾喷射的细水滴由于不受重力作用，会以直线的形式向前运动，碰到器物后即附着在其表面，少量会反弹[8]。此时，烟雾可能会由于细水雾的碰撞冲击作用在舱室内加速蔓延。

仿真过程中通过在火源上方设置的 5个热电偶监测火源附近温度，监测结果见图4。

图4 电缆火源正上方热电偶温度Fig.4 The temperature of thermocouple on top of the fire source

从图4中可以看出，细水雾粒径对于火焰上方燃烧温度的影响主要有3方面：

1）在微重力环境下，烟雾的扩散由分子扩散占主导作用。因此，不同位置的热电偶温度随与火源的距离不同而依次达到最高值后下降。DV0.99≤150 µm的细水雾明显降低了火源上方的热电偶温度，并且对于较高位置的降温效果更加明显，从2号热电偶以上位置处的温度普遍低于50 ℃。这说明对于微重力环境下的燃烧，细水雾能够明显降低烟雾的温度。

2）通过比较各个热电偶的温度在燃烧稳定时期的均值可以得到，细水雾液滴粒径越小，在燃烧稳定时期的烟雾温度越低。

3）在燃烧稳定时期，通过观察烟雾温度曲线的波动值，可以得到，随着细水雾粒径的增大，烟雾温度的波动幅度随之增大。这是由于较大颗粒的细水雾液滴对于烟雾的扰动作用更大。较小的烟雾扰动是有利于烟雾的控制的，尤其是在微重力这种极端环境下，平稳的火灾烟雾更利于灭火。因此，较小的细水雾液滴更加有利于扑灭火灾。

根据以上仿真结果，在进行有害气体CO的分布研究时，选取DV0.99≤150 µm的水雾与无水雾情况进行对比，在密封舱x=5 m处设置监测截面。图5显示了喷雾60 s时CO的分布云图。

图5 60 s时，x=5 m截面CO浓度分布云图Fig.5 At 60s, the concentration distribution of CO on the cross section ofx=5 m

图5中黑色线为CO体积分数为5×10-4的等值线。在无细水雾影响时，该等值线主要围绕在烟雾外边缘，将烟雾及火源围绕成半椭圆形；有细水雾时，受细水雾的影响，CO在舱内较为分散，该等值线围绕的范围非常小，集中在火源附近。

通过上述仿真分析可见，细水雾明显抑制了燃烧，粒径较小的细水雾有助于降低烟雾的温度以及CO体积分数，提高对火灾的抑制和扑灭效果。

3 细水雾斜角喷射的仿真分析

航天器在轨运行过程中，受电缆和设备等空间条件限制，且在微重力环境下灭火时，航天员很难保证将细水雾对火源垂直喷射，因此有必要对细水雾喷射角度对灭火效果的影响进行分析。设细水雾粒径DV0.99≤150 µm。图6是细水雾喷头喷射方向与燃烧平面夹角分别为 45°和 90°时热电偶的温度变化情况。

图6 细水雾喷头喷射方向与燃烧平面不同夹角情况下火源正上方温度Fig.6 The temperature on top of the fire source for different spray angles

由图6可见，细水雾喷射方向与燃烧面垂直时，火源上方的温度降低十分明显；而细水雾喷射方向与燃烧面夹角为45°时，第2、3、4、5号热电偶处的温度受到明显抑制，而1号热电偶处的温度反而比没有细水雾时温度有所升高。这是由于细水雾在降温的同时，会扰乱电缆火周围的空气，为燃烧增加新鲜空气，促进燃烧。并且，在微重力条件下，细水雾液滴还会促进烟雾向外扩散。因此，为了抑制燃烧，降低烟雾温度，细水雾喷头方向与燃烧面夹角越接近垂直越有利。

4 结论

1）在现有加工和工艺水平条件下，细水雾粒径越小，则喷雾液滴对于烟雾的扰动作用越小。而较小的烟雾扰动在微重力条件下更有利于烟雾的控制，平稳的火灾烟雾更利于灭火。因此，较小的细水雾液滴更加有利于扑灭火灾。

2）细水雾喷雾以斜角喷射，会扰乱火源周围的空气，不但会促进烟雾的扩散，还会为燃烧增加新鲜空气，使扑灭过程趋于困难。灭火时应使细水雾喷头与燃烧面夹角尽量趋近垂直。

3）微重力条件下使用细水雾灭火可减少产生的烟雾和CO，并且细水雾液滴还有助于烟雾快速扩散到烟雾和CO气体感测传感器，以及时报警。

（References）

[1]巴鑫, 罗小辉, 朱玉泉, 等.微重力状态下细水雾雾场特性仿真[J].华中科技大学学报, 2011, 39(10): 6-9

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（编辑：冯露漪）

Simulation of fire fighting in airtight cabin under microgravity conditions based on the FDS

LI Wenxin1, SUN Peng1, YANG Shenlin2
(1.Astronaut Center of China, Beijing 100094, China; 2.University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In this paper, simulation of the water mist is carried out by the fire dynamics software (FDS) to study the fire extinguishing process in the airtight cabin of a manned spacecraft under microgravity conditions.It is found that the water mist at a certain angle would not only promote the proliferation of the smoke, but also make the fire fighting operation difficult, because the fresh air would promote the combustion process.The temperature and the concentration of the carbon monoxide in the process of putting out the cable fire are obtained.Analysis shows that the particle size of the water mist in the gravity environment should be controlled between 100 and 150µm, and the spray direction should be perpendicular to the plane where the fire happens.

FDS; manned spacecrafts; fire extinguishment; micro-gravity; water mist

TU892; TP391.9

：A

：1673-1379(2016)05-0505-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.008

李文新（1986—），男，硕士学位，主要从事航天器环境控制与生命保障系统研制工作。E-mail: 364178946@qq.com。

2016-03-23；

：2016-09-20

国家青年科研试验基金项目（编号：2014SY54C0901）