艦船典型區(qū)域火災(zāi)煙氣流動特性與控制方法研究.pdf

1、火災(zāi)是船舶安全的重大威脅之一，火災(zāi)中煙氣的有效控制對于保障艦船火災(zāi)安全乃至生命力安全都具有重要意義。然而由于對機械通風(fēng)條件下艦船火災(zāi)特性認(rèn)識的不足，相對于探測和滅火技術(shù)而言，艦船煙氣控制技術(shù)發(fā)展保守而緩慢。論證煙氣控制的必要性和可行性對于促進艦船煙氣控制的發(fā)展是十分必要的，同時具有針對性和適用性的艦船火災(zāi)煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計方法也亟待建立。
　　本論文針對以上問題，提出了艦船火災(zāi)中，不同階段、不同區(qū)域內(nèi)的煙氣控制需求和目標(biāo)。并通過分析

2、將所提出的煙氣控制工程需求轉(zhuǎn)化為“艙室機械通風(fēng)煙氣控制效果”和“復(fù)雜走廊區(qū)煙氣控制方法”兩個火災(zāi)科學(xué)研究問題。設(shè)計并搭建了艦船火災(zāi)煙氣流動與控制全尺寸實驗平臺，開展了一系列艙室規(guī)模和艙段規(guī)模的火災(zāi)實驗，獲得了不同機械通風(fēng)條件下艙室和走廊火災(zāi)參數(shù)變化規(guī)律，提出了艙室和走廊煙氣控制系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計方法。本文實驗條件下得到的主要結(jié)論如下:
　　1、研究了機械通風(fēng)口配置對艙室火燃燒參數(shù)和火災(zāi)環(huán)境參數(shù)的影響規(guī)律，提出了適用于艦船艙室煙氣

3、控制的通風(fēng)口配置形式。相比于無通風(fēng)工況，機械通風(fēng)工況中燃料質(zhì)量損失速率增大。機械通風(fēng)條件下，單風(fēng)口工況燃料質(zhì)量損失速率低于雙風(fēng)口工況。燃料質(zhì)量損失速率隨著送風(fēng)口的升高會出現(xiàn)突然降低的轉(zhuǎn)折，本研究中轉(zhuǎn)折工況對應(yīng)的送風(fēng)口高度在單風(fēng)口條件下為0.43H,雙風(fēng)口條件下為0.76H（H為艙室高度）。在機械通風(fēng)強化燃燒增大產(chǎn)熱與排出煙氣冷卻艙室的共同作用下，單風(fēng)口工況中艙室溫度低于無通風(fēng)工況，即艙室熱危害性減小;而雙風(fēng)口送風(fēng)則會形成高于無通風(fēng)工況的

4、艙室溫度，惡化艙室熱危險性。雙風(fēng)口工況中艙室溫度隨送風(fēng)口呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而各單風(fēng)口工況中艙室溫度差別較小。通過修正下層溫度，改進了艙室三層溫度分布模型的熱分層高度計算方法。利用艙內(nèi)氧氣實驗數(shù)據(jù)，計算得到煙氣層穩(wěn)定性參數(shù)ψ=（Y∞-Yl）/（Y∞-Yu）。艙室熱分層高度和煙氣層穩(wěn)定性參數(shù)計算結(jié)果表明，減少開啟的送風(fēng)口數(shù)目和增大送風(fēng)口高度均會導(dǎo)致艙內(nèi)煙氣層高度下降，穩(wěn)定性降低。根據(jù)艦船艙室煙氣控制目標(biāo)及消防人員對火災(zāi)產(chǎn)物的耐受性，采

5、用溫度作為艙室煙控效果的主要評價參數(shù)。根據(jù)不同通風(fēng)口配置工況實驗結(jié)果的綜合分析，適用于艦船艙室煙氣控制的通風(fēng)口配置形式為:單風(fēng)口局部送風(fēng)，且送風(fēng)口高度應(yīng)低于0.26H。
　　2、在適用于煙氣控制的通風(fēng)口配置條件下，研究了機械通風(fēng)量對艙室火燃燒參數(shù)及火災(zāi)環(huán)境參數(shù)的影響規(guī)律。分析并建立了不同煙氣分布假設(shè)條件下的艙室溫度計算方法。機械通風(fēng)艙室火災(zāi)燃料質(zhì)量損失速率隨通風(fēng)量呈先升高后降低的趨勢，本研究中趨勢發(fā)生改變的臨界工況所對應(yīng)通風(fēng)量為4

6、0ACPH（每小時換氣次數(shù)）。根據(jù)氧耗法及氧氣守恒方程計算得到艙室火熱釋放速率與燃燒效率，各工況中燃燒效率與火源附近氧氣濃度具有較好的正比例關(guān)系，熱釋放速率與質(zhì)量損失速率變化趨勢基本一致。在機械通風(fēng)對艙室產(chǎn)熱和散熱的綜合作用下，艙室平均溫度隨機械通風(fēng)量呈先升高后降低的趨勢，臨界工況所對應(yīng)的通風(fēng)量為20-30ACPH。根據(jù)各工況中煙氣層穩(wěn)定性參數(shù)ψ，在實驗通風(fēng)口配置條件下，通風(fēng)量增大有利于艙內(nèi)穩(wěn)定煙氣層的形成。在本研究中，煙氣層穩(wěn)定性參數(shù)

7、與考慮機械通風(fēng)速率、火源尺寸和艙室尺寸所建立的無量綱量ω=(V)/√gD(l)2具有相關(guān)性，當(dāng)ω＞0.014時，ψ＜0.5，即艙內(nèi)形成了較穩(wěn)定的煙氣分層。在煙氣分層工況中，艙室煙氣層穩(wěn)定性參數(shù)ψ隨參數(shù)ω=(V)/gD(l)2呈線性減小。建立了煙氣分層假設(shè)條件下機械通風(fēng)艙室溫度計算方法，并在計算中考慮了機械通風(fēng)工況中，氣流對艙內(nèi)氣體分層不可忽略的擾動作用，引入了艙室上下層氣體交換質(zhì)量流率(m)trans。計算結(jié)果表明，根據(jù)煙氣分層假設(shè)計算

8、得到的艙室溫度高于基于機械通風(fēng)艙室火災(zāi)參數(shù)分析中經(jīng)典的煙氣均勻假設(shè)得到計算結(jié)果。通過與實驗結(jié)果對比，本文基于艙室煙氣分層建立的溫度計算方法適用于ω＞0.014的工況，即根據(jù)煙氣穩(wěn)定性參數(shù)判定得到的艙室煙氣分層工況，而對于實驗中ω＜0.014工況中溫度的計算，經(jīng)典的艙室煙氣均勻計算模型更為適用。在艦船煙氣控制通風(fēng)量設(shè)計時，設(shè)計通風(fēng)量應(yīng)首先滿足ω＞0.014，進而根據(jù)設(shè)定的艙室煙氣控制可接受溫度判據(jù)，采用基于煙氣分層假設(shè)的溫度計算方法進行計

9、算。
　　3、研究了煙氣在雙層連通走廊區(qū)域的流動特性，建立了復(fù)雜走廊區(qū)域煙氣溫度計算模型。通過艦船雙層連通走廊煙氣流動特性全尺寸實驗，獲得了艦船復(fù)雜走廊內(nèi)溫度、梯口速度等典型火災(zāi)參數(shù)變化規(guī)律。當(dāng)火源位于下層甲板火源艙時，煙氣很快通過梯口蔓延至上層甲板走廊，并在該區(qū)域內(nèi)形成高于起火甲板層走廊的火災(zāi)危險性（以走廊下部溫度和熱分層高度為判據(jù)）。當(dāng)火源位于上層一甲板火源艙時，煙氣在起火層甲板走廊內(nèi)充填很快，但不會逆浮力方向通過梯口流入下層

10、甲板走廊區(qū)域。建立了煙氣流經(jīng)走廊內(nèi)水平開口、豎直開口、轉(zhuǎn)彎及岔口結(jié)構(gòu)處溫度計算方法。在走廊開口結(jié)構(gòu)處，將開口溢流轉(zhuǎn)化為虛點源位于開口下方的豎直羽流，并利用經(jīng)典點源羽流模型，建立溢流溫度與流入?yún)^(qū)域頂棚處溫度計算關(guān)系;在走廊轉(zhuǎn)彎和岔口結(jié)構(gòu)中，基于走廊煙氣溫度指數(shù)衰減模型，計算得到煙氣流經(jīng)轉(zhuǎn)彎和岔口結(jié)構(gòu)后溫度衰減系數(shù)與直走廊結(jié)構(gòu)溫度衰減系數(shù)關(guān)系:KRa=0.74Ks，Kf,i=∑W/(2Wi）·Ks。綜合以上典型結(jié)構(gòu)處溫度分析結(jié)果，建立了艦船

11、復(fù)雜走廊煙氣溫度計算模型，并利用全尺寸實驗數(shù)據(jù)進行了驗證。結(jié)果表明，所建立的溫度計算模型對走廊最高溫度及火災(zāi)中后期煙氣溫度變化的計算具有很好的準(zhǔn)確性，可用于火災(zāi)中艦船多層復(fù)雜區(qū)域走廊內(nèi)不同位置火災(zāi)危險性的快速估測和分析。
　　4、建立了走廊開口處逆向氣流防煙臨界速度計算模型。開展全尺寸實驗揭示了逆向氣流在艦船復(fù)雜走廊內(nèi)的控?zé)熜ЧⅡ炞C了逆向氣流防煙臨界速度計算模型的準(zhǔn)確性。通過計算得到不同工況中走廊開口處逆向氣流防煙臨界速度。建

12、立了走廊水平和豎直開口處逆向氣流臨界控?zé)煑l件下，表征氣流慣性力與煙氣浮力之比的弗洛德數(shù)Frc=Vc/(2gh△T/T)1/2與火源-開口無量綱距離l*=l/L的關(guān)系。結(jié)果表明，在走廊水平梯口處，當(dāng)l*≤3時，F(xiàn)rh,c隨l*線性減小:Frh, c=-0.14l*+0.8;當(dāng)l*＞3時，F(xiàn)rh,c基本維持常數(shù):Frh, c=0.380;在走廊豎直開口處，對于所研究工況，臨界弗洛德數(shù)基本不受到l*影響:Frv,c=0.365。根據(jù)模型艙內(nèi)走