黄玉彪,杨立中,郑源,黄丹妍

(中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，合肥 230026)



密闭空间在不同热环境下的火灾烟气填充特性及壁面热传导效应

黄玉彪,杨立中,郑源,黄丹妍

(中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，合肥 230026)

采用火灾数值模拟软件FDS，模拟船舶内部舱室空间处于不同热环境下的火灾烟气填充特性，发现恒温环境和低差温环境对火灾烟气的填充过程几乎没有影响，但是当密闭空间竖向差温达到一定范围时，对其填充过程影响巨大；同时通过密闭空间壁面的热传导效应的分析，不同热环境对密闭空间金属壁面的影响区域及程度均有所不同。

密闭空间；热环境；烟气填充；热传导；FDS

船舶火灾是船舶安全的主要威胁之一，一旦发生火灾，造成的经济损失、人员伤亡乃至社会影响不可估量。根据统计，船舶火灾约占船舶海难事故的11%，但是船舶火灾造成的损失却是排在所有海难事故的首位[1]。由此可见，船舶火灾对于船舶安全具有致命的影响。

船舶舱室是属于受限空间的一种，其与常规建筑存在一定的区别：首先两者的壁面结构不同，建筑多采用混凝土壁面，而船舶则多采用钢结构为舱室边界，其导热性远超混凝土壁面；建筑一般设置有自然通风装置(门窗等)，但是舱室一般不存在此类结构，所以船舶舱室火灾与不同建筑火灾存在一定的区别。

已有的船舶受限空间火灾研究集中在密闭空间的自熄灭模型[2]。针对顶部竖向开口舱室的烟气溢流行为进行相关研究，明确分析排烟量与中性面高度以及烟气溢流质量之间的关系[3]。则针对扁平型大舱室的火灾烟气迁移蔓延特性及防控策略进行研究，分析舱室外界环境(外界风)对于典型舱室内部的火灾热流场特性的影响[4]。实验研究顶棚射流烟气温度与时间和顶棚高度的关系[5]。无通风密闭空间的火焰燃烧现象[6]。无通风的客舱的火灾发展规律[7]。

不同的热环境对于由热浮力驱动的烟气的流动具有重要的影响，所以各舱室火灾也会有所区别。因此，针对典型长高型密闭空间在不同热环境下的火灾烟气填充特性以及金属壁面热传导效应进行研究。

1 数值建模

1.1 数值模拟软件FDS

采用NIST设计的被广泛用于相关火灾模拟的软件FDS。FDS是基于大涡模拟的一种软件，主要通过数值方法求解Navier-Stokes 方程，适用于计算低速、热驱动的流体流动以及计算火灾导致的烟气流动和传热过程。FDS对于火灾烟气模拟的准确性已得到验证[8-9]。

1.2 工况设置

构建长高型密闭空间模型见图1。长、宽、高分别为4、4、8 m。影响壁面传热的主要参数导热系数设置为113 W/(m·K)(船舶用金属)，金属壁面厚度2 cm。火源功率恒定为20 kW，金属壁面温度探点布置如图1，分别设置在顶部及竖向壁面位置，深度为金属壁面内部0.002 m处。

针对密闭空间处于不同热环境条件下的火灾设置5种主要工况见表1。

密闭空间初始热种类分为恒温和竖向差温环境2种，其中恒温环境设置20 ℃和45 ℃2种，差温环境设置为30,45和60 ℃3种，其中差温环境的基础温度为20 ℃。竖向差温设置主要通过分别定义不同内部区域特性参数来实现。

表1 密闭空间初始热环境工况设置

2 模拟结果与分析

2.1 密闭空间内部烟气填充特性对比分析

船舶多个舱室由于功能不同，温度环境也存在一定差异性。环境条件可以分为低温环境和高温环境，低温、高温环境又可细分为恒温和差温环境。

为简化烟气在不同热环境条件下的密闭空间的填充过程，分别取2,5,10,15,30,50 s 6个时刻的烟气填充时空图作为分析对象。

图2和图3分别为20和45 ℃恒湿热环境下的烟气填充过程。从图2可以看出，在0～5 s时间内，烟气处于自由羽流上升阶段；5～10 s内，烟气在上升过程中发生撞击顶棚，同时沿顶棚一维蔓延阶段，10～15 s内，顶棚烟气与密闭空间墙壁碰撞，并向下蔓延阶段，15～50 s内，烟气在密闭空间顶部不断积聚，并向下部空间填充。对比工况1和2：虽然密闭空间所处的恒温环境温度参数不同，但是对于烟气的填充过程没有明显太大区别，这说明恒温的密闭空间环境对于烟气的填充过程几乎没有影响。

图4为30 ℃初始竖向差温环境下的烟气填充过程。由图4可见，烟气在密闭空间的填充过程与恒温环境基本相似，但也存在一定的区别。当为5 s时，该工况下的烟气上升高度比工况1和2的烟气层高度低1～1.5 m。在10 s时，烟气才刚刚撞击顶棚，此时工况1和工况2中的烟气已经沿顶棚一维蔓延同时撞击墙壁面向下部累积填充阶段。在30 s和50 s可以看出，该工况下的烟气已经填充整个密闭空间，与恒温环境下的烟气蔓延情况一致。这说明30 ℃的差温环境对烟气的蔓延仅有个延迟阻碍的作用，但对整个填充的过程并无太大影响。

图5为45 ℃初始竖向差温环境温下的烟气填充过程。由图5可见，在30 s时，在顶棚下方某一高度处出现烟气的积聚现象；同时相比于工况3，烟气上升的延迟现象大大增加，但是烟气依然没有出现撞击顶棚的情况，这与工况3在10 s时撞击顶棚相比，烟气延迟撞击顶棚的时间大大增加；在50 s时，烟气突破了顶棚下方的烟气积聚区域，上升到顶棚位置，并不断的向下部空间填充。这说明45 ℃的竖向差温环境对于该密闭空间的烟气的上升以及填充过程有很大的影响。

图6为60 ℃初始竖向差温环境温下的烟气填充过程。由图6可见，当竖向空间的温度差异达到一个较高的水平时，烟气上升到某一高度后，便不会再继续上升，在此高度处的烟气不断积聚，直至发生烟气向下填充的过程，最高度处的烟气在短时间内始终与顶棚存在一定的距离。这也说明当竖向差温环境达到60 ℃时，烟气很难或无法到达密闭空间顶棚位置。产生此类现象的原因主要是由于竖向差温热环境在船舶密闭空间内部形成了一定的热障效应，导致烟气在竖向空间的运动受阻导致的，当烟气本身的热浮力小于热障效应带来的影响时，烟气便无法冲破热障区，到达顶棚位置。

终上所述，当密闭空间的环境温度存在区别，其火灾烟气的填充过程同样存在区别。当密闭空间处于恒温均一环境时，无论环境温度是多少，其烟气填充过程基本一致，无明显区别；当竖向差温环境较小时，烟气的填充过程相比于恒温环境略有延迟，但是其填充过程也无明显差别；当竖向差温达到一个较高水平时，烟气会在某一高度处出现积聚现象，并不断的向下部空间填充，同时烟气无法到达空间顶棚位置。这也为处于不同的热环境条件下船舶舱室的火灾烟气控制提供一定的指导：当恒温环境或者竖向差温环境取值较低时，其通风防排烟可以考虑顶棚位置；当竖向热环境差异达到一定的值时，烟气上升受限，其通风防排烟的相关设备则可以考虑设置在顶棚下方的壁面位置。

2.2 密闭空间壁面热传导差异分析

由于船舶壁面多采用金属材质，其热导率远远大于建筑的混凝土壁面，所以船舶内部空间壁面受火灾影响较大。当火灾发生时，这些区别会对船舶的金属壁面产生一定的热传导效应。取金属壁面0.002 m深度的内部温度作为研究对象。

不同热环境条件下密闭空间顶棚及壁面的内部温度分布见图7。由图7可见，当热环境为恒温20 ℃(见图7a))时，顶棚温度最高，壁面温度随着壁面高度的降低而逐渐降低；当热环境为恒温45 ℃(见图7b))时，其规律与工况1基本一致，但是顶棚温度与壁面温度的差距相比工况1要小。

当密闭空间热环境为差温30 ℃时(见图7c))，顶棚温度依然最高，但是可以看出，其温升与壁面温度的差值比工况1和2小很多；当密闭空间热环境为差温45 ℃(图7d))时，可以看出此时壁面温度出现比顶棚温度高的现象，当壁面高度为6.2 m时，温度最高，其次为5.8 m；当热环境温度为差温60 ℃(图7e))时，可以明显看出：其顶棚温度分布和顶棚附近壁面温度相对较低，相反的，在顶棚下方的5.8 m处的金属壁面温度取值最高，其次为6.2 m。与工况4相比，可以看出，随着竖向差温取值的不断增大，其壁面最高温度所在的壁面高度在不断降低。工况4和5的船舶金属壁面温度分布规律也与烟气在该密闭空间的填充过程相吻合。

通过对顶棚以及壁面的内部温度分析发现：在不同的热环境条件下，其壁面受影响区域也不同，当处于恒温环境或者竖向差温环境取值较低时，其金属密闭空间壁面的受影响范围主要集中在顶棚和顶棚附近的壁面区域；当竖向差温环境取值较大时，其金属密闭空间壁面的受影响范围多集中在顶棚下方的壁面区域，对顶棚影响较小，同时其竖向热环境差值越大，其金属壁面的最高温度的分布高度也在不断降低。

3 结论

1)热环境对于烟气在密闭空间的填充过程有很大的影响：恒温环境和较低差温环境下，除较低差温环境对烟气的填充略有一定的延迟外，其填充过程基本一致；当竖向差温环境较大时，其烟气填充过程与之前存在很大的区别，烟气多聚集在顶棚下方的区域，短时间内很难达到顶棚位置。研究表明，当船舶舱室在不同热环境条件下时，其排烟口的安装位置也应有所区别。

2)热环境对于金属壁面的热传导也有一定的影响：不同热环境条件下，对金属壁面的主要影响区域也存在一定的区别。这也为不同热环境条件下的船舶金属壁面的火灾重点防护区域提供一定的指导。

[1] 王永祥.船舶机舱火灾的分析与思考[J].水上消防,2010(2):36-38.

[2] 黎昌海.船舶封闭空间池火行为实验研究[D].合肥：中国科学技术大学,2010.

[3] 曾勇,毛少华,吴松,等.排烟条件下舱室烟气溢流的数值模拟研究[J].船海工程,2013,42(4):38-41.

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Characteristics of Fuel Gas Filling and Wall Heat Transfer Effect under Different Thermal Environment of Confined Space

HUANG Yu-biao, YANG Li-zhong, ZHENG Yuan, HUANG Dan-yan

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

FDS (Fire Dynamic Simulator) was adopted to analyze the fuel gas filling features of the confined space of the ship under different thermal environment. Research showed that constant temperature environment and lower differential temperature environment has little impact on the fuel gas filling process. However, it has a significant influence on the filling process when the differential thermal environment reached a certain level. The analysis of the temperature of inside wall and ceiling of the confined space showed that different thermal environment determines the wall temperature distribution.

confined space; thermal environment; fuel gas filling process; thermal conduction; FDS

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.001

2017-01-18

国家自然科学基金重点项目(资助号：51323010)和中央高校基本业务费专项资金(资助号：WK2320000033)

黄玉彪(1991—)，男，博士生

研究方向：火灾烟气流动与控制

U662

A

1671-7953(2017)03-0001-05

修回日期：2017-03-07