艦船典型區(qū)域火災煙氣流動特性與控制方法研究.pdf

1、火災是船舶安全的重大威脅之一，火災中煙氣的有效控制對于保障艦船火災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條件下艦船火災特性認識的不足，相對于探測和滅火技術而言，艦船煙氣控制技術發(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煙氣控制系統(tǒng)設計方法也亟待建立。
　　本論文針對以上問題，提出了艦船火災中，不同階段、不同區(qū)域內(nèi)的煙氣控制需求和目標。并通過分析

2、將所提出的煙氣控制工程需求轉(zhuǎn)化為“艙室機械通風煙氣控制效果”和“復雜走廊區(qū)煙氣控制方法”兩個火災科學研究問題。設計并搭建了艦船火災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)模的火災實驗，獲得了不同機械通風條件下艙室和走廊火災參數(shù)變化規(guī)律，提出了艙室和走廊煙氣控制系統(tǒng)中關鍵參數(shù)的設計方法。本文實驗條件下得到的主要結論如下:
　　1、研究了機械通風口配置對艙室火燃燒參數(shù)和火災環(huán)境參數(shù)的影響規(guī)律，提出了適用于艦船艙室煙氣

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

4、艙室溫度，惡化艙室熱危險性。雙風口工況中艙室溫度隨送風口呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而各單風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)計算結果表明，減少開啟的送風口數(shù)目和增大送風口高度均會導致艙內(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及消防人員對火災產(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)不同通風口配置工況實驗結果的綜合分析，適用于艦船艙室煙氣控制的通風口配置形式為:單風口局部送風，且送風口高度應低于0.26H。
　　2、在適用于煙氣控制的通風口配置條件下，研究了機械通風量對艙室火燃燒參數(shù)及火災環(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條件下的艙室溫度計算方法。機械通風艙室火災燃料質(zhì)量損失速率隨通風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通風量為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量呈先升高后降低的趨勢，臨界工況所對應的通風量為20-30ACPH。根據(jù)各工況中煙氣層穩(wěn)定性參數(shù)ψ，在實驗通風口配置條件下，通風量增大有利于艙內(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具有相關性，當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條件下機械通風艙室溫度計算方法，并在計算中考慮了機械通風工況中，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。計算結果表明，根據(jù)煙氣分層假設計算

8、得到的艙室溫度高于基于機械通風艙室火災參數(shù)分析中經(jīng)典的煙氣均勻假設得到計算結果。通過與實驗結果對比，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量設計時，設計通風量應首先滿足ω＞0.014，進而根據(jù)設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，獲得了艦船復雜走廊內(nèi)溫度、梯口速度等典型火災參數(shù)變化規(guī)律。當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危險性（以走廊下部溫度和熱分層高度為判據(jù)）。當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)彎及岔口結構處溫度計算方法。在走廊開口結構處，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系;在走廊轉(zhuǎn)彎和岔口結構中，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)彎和岔口結構后溫度衰減系數(shù)與直走廊結構溫度衰減系數(shù)關系:KRa=0.74Ks，Kf,i=∑W/(2Wi）·Ks。綜合以上典型結構處溫度分析結果，建立了艦船

11、復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。結果表明，所建立的溫度計算模型對走廊最高溫度及火災中后期煙氣溫度變化的計算具有很好的準確性，可用于火災中艦船多層復雜區(qū)域走廊內(nèi)不同位置火災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雜走廊內(nèi)的控煙效果，并驗證了逆向氣流防煙臨界速度計算模型的準確性。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煙條件下，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的關系。結果表明，在走廊水平梯口處，當l*≤3時，F(xiàn)rh,c隨l*線性減小:Frh, c=-0.14l*+0.8;當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