舰船封闭舱室火灾烟气特性分析

2016-04-11尹成斌麻伟东徐翱翔海军977部队山东青岛66405海军工程大学动力工程学院湖北武汉430033

中国新技术新产品 2016年2期

关键词：火灾

尹成斌　麻伟东　李杰　徐翱翔（.海军977部队，山东　青岛　66405；.海军工程大学动力工程学院，湖北　武汉　430033）

舰船封闭舱室火灾烟气特性分析

尹成斌1麻伟东1李杰2徐翱翔2
（1.海军92771部队，山东青岛266405；2.海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033）

摘要：封舱灭火作为舰船火灾消防的有效手段之一，研究封闭舱室火灾烟气特性具有重要的工程应用价值。本文从封闭舱室火灾发展和烟气特性分析两个方面，建立了封闭舱室火灾烟气高度模型、熄火时间模型、熄火时刻舱室温度模型和CO浓度模型，并采用算例对这一理论模型进行了验证。研究结果表明：这一理论模型能够较好地对封闭舱室火灾烟气的生成特性和流动特性进行理论分析，能够为舰员封舱灭火场景下的损害管制提供参考。

关键词：火灾；封舱灭火；烟气特性

舰船结构复杂，火灾载荷分布相对集中，一旦发生火灾极易蔓延，容易造成重大人员伤亡，严重影响舰船生命力。为了减少火灾造成的舰船生命力损失和提高舰船火灾防治的有效性，必须加强对舰船火灾发生发展和防治规律的研究。烟气作为舰船火灾安全领域的重要内容，是造成人员伤亡和火势增长的重要因素，它的生成和流动特性对舰船火灾消防和人员逃生具有重要的意义。本文对某一舰船小尺寸舱室进行理论分析，重点研究了火灾烟气填充模型、舱室火灾熄灭模型、舱室火灾烟气的温度特性和毒性，对舰船火灾消防具有重要的应用价值。

1 封闭舱室火灾发展过程

如图1所示，舰船封舱灭火初期，舱室上层为热烟气层，下层为冷空气层，二者之间存在一个过渡层；随着火灾的发展，舰船整个舱室迅速充满了烟气，舱室可分为密烟气层和稀烟气层，密烟气层内部温度均一，疏烟气层内部温度呈现较明显的梯度，此时采用传统的双区域模型分析火灾烟气特性具有一定的局限性；在舰船封闭舱室火灾稳定阶段，火灾烟气会发生循环卷吸现象：一方面密烟气层厚度增加，另一方面稀烟气层温度升高，直至火灾烟气达到动态平衡；随着火灾的发生发展，舰船封闭舱室火灾由燃料控制向通风控制转变，最终由于氧气不足达到火灾窒息熄灭的目的。

为了方便对舰船舱室火灾数理模型的建立，本文提出了如下假设：

假设一：火源的热释放率为恒定值，忽略火源热释放速率的增长过程。

假设二：火灾烟气是由顶棚向舱室底部蔓延的，忽略烟气的羽流上升和顶棚射流过程。

假设三：在舱室火灾过程中由燃烧引起的空气质量增加量m与舱室内初始气体质量相比可以忽略不计，即ρ0＝ρ-。

假设四：封闭舱室熄火时刻O2体积浓度为12%。

（a）封舱灭火初期　（b）火灾发展过程　（c）火灾稳定燃烧图1　舰船封闭舱室火灾烟气填充过程

1.1火灾烟气高度模型

封闭舱室火灾过程中，由于与外界不存在质量交换，在火灾初期和发展过程中，以舱室下层空气质量质量守恒可得：

根据Zukoski羽流方程，通过羽流卷吸离开下层控制体的质量流率为：

联立式（1）（2）（3）可得：

则火灾初期和发展过程中，火灾烟气高度为：

1.2 封闭舱室火灾熄灭时间模型

封舱灭火作为舰船灭火的有效措施之一，如何确定舱室火灾熄灭时间对舰船开舱进行损害管制恢复舰船生命力有着重要的作用。本文结合舱室O2浓度、燃料的质量损失率等建立了封闭舱室火灾自熄灭时间的物理模型，能够为舰船火灾消防和损害管制提供帮助。

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由封闭舱室氧气质量守恒可得：

由假设3可知ρ0＝ρ-，代入式（6）可得：

联立式（6）（7）可得

其中r0为每消耗单位质量氧气所燃烧掉得燃料质量。如果封闭舱室庚烷完全燃烧时，由反应方程式（9）可得：r0＝1/3.52

如果封闭舱室没有完全燃烧，由反应方程式（10）可得：r0＝5/12

2 舱室火灾烟气特性

2.1 火灾烟气温度分布

由于封闭舱室火灾烟气迅速充满整个舱室，且舱室底部被隔热棉包覆，因此，本文在研究封闭舱室火灾烟气温度分布时，以舱室气体为研究对象，忽略舱室内部温度的变化（由于舱室内部气体之间的相互作用导致烟气沿垂向高度的变化相对比较小）和舱室底部的传热，采用单区域模拟建立了舱室烟气的能量守恒方程：＝0.01kW/（m2gK）其中：

2.2火灾烟气CO浓度

火灾烟气中含有多种有毒物质，包括CO、CO2、HCl、HF和HCN的等。研究结果表明：当CO浓度超过100ppm时，人体会产生头晕、乏力等不适感；当CO浓度超过600ppm时，短期内会引起窒息死亡。由于火灾中的死亡人员约有一半是由CO中毒引起的，因此有必要对火灾烟气的组分浓度尤其是CO进行分析和预测。

本文采用GER理论利用燃空比φ与产物组分生成率Yco之间的关联来预测火灾烟气产物的生成量。φ表示火源所消耗的燃料与空气质量的比值除以它们的当量比值，即

研究结果表明：在火灾稳定燃烧阶段，烟气主要成分的产生及消耗率是不变的，与火焰结构无关；燃烧过程及火灾烟气组分与烟气层内的温度有关，与墙体的属性及隔热情况无关。因此在火灾稳定燃烧之前，由Gottuk and Lattimer的相关研究可得：

3 算例分析

本文以舰船某舱室的小尺度模型为研究对象，以庚烷为着火燃料，对该封闭空间的火灾烟气特性进行了理论分析，建立了基于Matlab的舰船小尺度封闭舱室火灾烟气各种物性参数模型。舰船小尺度封闭舱室的内尺寸为1m（L）×1m（W）×0.75m（H），其舱壁结构符合A60标准。舱室内气体密度ρ0＝1.1763kg/m3，T0＝300K，Cp＝1.007kJ/（kggK）。庚烷物理性质参数详见表1。在对舰船小尺寸封闭舱室烟气物性参数分析过程中，本文假设庚烷的质量损失率保持恒定，取＝7.5×10-5kg/s，此时庚烷稳定燃烧热释放率Qg为：

其中x为燃烧效率，一般情况下取x＝0.7。

本文在对舱室火灾烟气特性分析的基础上，结合Matlab7.0编程软件，对火灾空气高度、舱室火灾熄灭时间、舱室温度以及舱室CO浓度等进行了理论分析，得到了封闭舱室火灾空气高度、CO生成率和CO浓度随时间的变化曲线，如图1～图3所示。这一理论模型仿真计算结果与相同参数条件下封闭舱室庚烷火燃烧实验结果是一致的，具有一定的参考价值。

（1）如图1所示，封闭舱室空气高度随着火灾的发展迅速降低。本文取舱室空气高度0.01m时所对应的时刻为烟气充满舱室的时间（由于一般来说，油盘的高度为0.01m）。因此在t＝60s时，舱室烟气充满整个舱室；

（2）在封闭舱室火灾熄灭模型分析的基础上，可得：封闭舱室火灾熄灭时间tE满足301s≤tE≤441s。

（3）在舱室温度特性分析的基础上可得：火灾熄灭时舱室温度为：T＝359K。在封闭舱室着火过程中，底部空气在t＝60s时温度开始上升；随着时间的推移，封闭舱室气体在火灾烟气的循环卷吸、浮力和压力作用下逐步混合，形成典型的密烟气和稀烟气双区域模型，封闭舱室火灾达到稳定燃烧阶段；在舱室熄火时刻，舱室内火灾烟气平均温度为359K（84℃）。

（4）如图3～图4所示，封闭舱室火灾烟气CO生成率随着时间的推移先降低后保持不变；舱室CO浓度随着时间的推移不断地增加。在舱室熄火时刻，舱室CO浓度介于2242ppm和3289ppm（完全转换为CO时的浓度）之间。

综合上述分析，封闭舱室火灾具有发展速度快，火场温度高，容易产生高温有毒气体等特点。在舱室火灾发展初期，烟气特性参数相对比较低，是灭火和人员逃生的最佳时机，因此有必要加强舰船火灾的预防和监测，争取短时间内发现火源，扑灭初火，最大程度的减小舰船损伤。如果初火扑灭失败后，应迅速组织人员撤离，采取封舱灭火的应急措施防止火灾蔓延。此外，在舱室火灾熄灭后，不能立即打开舱门。此时舱室内高温烟气成分复杂毒性强，一旦与外界空气接触容易发生火灾复燃，造成舰船舱室火灾蔓延。

结论

本文从理论的角度对舰船封闭舱室火灾烟气流动特性进行了分析论证，为舰船火灾的扑救奠定了理论基础。封舱灭火作为舰船火灾的应急手段之一，能够有效地熄灭舱室火灾。在封舱灭火之初应该迅速组织人员的撤离，限制舱室火灾的蔓延；在舱室火灾熄灭之后，不能盲目打开舱门，防止舱室火灾复燃。但是本文的研究是建立在庚烷的质量损失率保持不变的基础上的，与实际的封闭空间火灾存在一定的差异，有待于对封闭空间火灾燃烧特性进行深入的研究分析。