机械通风对船舶机舱火灾烟气控制的影响分析

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(中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，合肥 230026)

火灾烟气具有遮光性、高温和毒性，是造成火灾中人员伤亡的重要因素，同时浓烟带来的火场能见度降低，还会给灭火救援工作的开展带来困难。舰船舱室多具有密闭性，火灾中若有新鲜空气进入，可能会造成火势的进一步扩大。因此，目前当舰船舱室发生火灾时，机械进、排风系统均会在较短时间内被切断。然而也有研究表明，尽管冷空气进入火场会加剧燃烧、增大产烟量，但其可以在很大程度上降低烟气温度、提高火场能见度。同时有报告指出，起火后5～8 min内，通风设备的开启并不会造成燃烧的加剧[1]。目前，通风对烟气控制影响的试验还没有得到一致的结论[2]。 为此，本文采用大涡模拟的方法，分析通风系统对于火灾烟气控制的综合影响。

1 模型的建立

1.1 模拟软件

采用的模拟软件为《美国国家标准技术局》开发的火灾模拟软件FDS(fire dynamics simulator)。FDS是用于模拟火灾中流体流动的计算流体动力学场模拟软件，该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，主要用于模拟计算火灾过程中烟气流动和热传递。

1.2 物理模型

以某典型船舶机舱为研究对象，机舱主要分为下部机械处所和上部烟囱围井两部分，几何结构见图1。火源设定为t平方超快速火，最大热释放速率为10 MW，火源位于机舱内底。

图1 机舱物理模型

机舱烟囱围井顶部设有10个百叶窗通风口，通风口尺寸为0.9 m×1.2 m。机舱共有3台进风机，每台进风机的风量均为113 000 m3/h，进风口数量为8个，尺寸均为0.8 m×0.8 m，进风口位于机械处所区域侧壁上，每个进风口的进风量为：q进=Q进/8=42 375 m3/h≈11.77 m3/s。机舱有1台排风机，排风机风量为84 000 m3/h，排风口数量为8个，尺寸均为0.8 m×0.8 m，排风口位于机械处所区域顶棚甲板处，每个排风口的排风量为：q排=Q排/8=10 500 m3/h≈2.92 m3/s。

2 模拟工况的设定

机舱中的机械通风系统分为进风系统和排风系统，为分析机舱内现有机械通风系统对火灾烟气控制综合效果的影响，根据进风系统和排风系统的不同启闭组合模式，设定4种模拟工况，见表1。

表1 模拟工况表

3 模拟结果与分析

3.1 烟气扩散模拟结果对比分析

进风系统和排风系统均属于强制通风，在火灾情况下开启，必然会改变舱室内原有的气流形式，从而对火灾烟气的扩散和蔓延造成影响。

在设定火灾场景中，起火后100 s，不同通风工况条件下，烟气蔓延情况见图2。

图2 不同通风工况中烟气蔓延情况(起火后100 s)

由图2可见，在模拟工况A中，由于进风系统和排风系统均未开启，烟气没有受到任何形式的干扰，在浮力作用下向上蔓延，在机械处所的底层区域内形成了稳定的烟气层，并通过顶部开口蔓延至机械处所上部区域，逐渐充满该区域。

在模拟工况B中，机械进风系统开启，可以明显看出进风气流干扰了烟气羽流的运动，机械处所底层区域内并未形成稳定的烟气层，同时进风气流加速了烟气向上部区域的扩散，与工况A相比，受到烟气影响的区域范围明显增大，但在图中也可以明显看出，由于新鲜空气的补充，机械处所上部区域的烟气浓度与未设置进风系统的情况相比有所降低。

在模拟工况C中，机械排风系统开启，可以看出，100 s时烟气被控制在机械处所区域内，并未扩散至烟囱围井中，即烟气影响区域范围与工况A相比有所减小，这是由于排风系统可以有效地将烟气排出，从而在一定时间内控制烟气向其他区域的扩散，但是与工况B相比，机械处所区域内的烟气浓度明显较高。

在模拟工况D中，机械进风系统与机械排风系统同时开启，机械进风系统干扰了烟气羽流的运动，在机械处所中并未形成稳定的烟气层，同时烟气影响区域面积较大，由于在本模型中进风量远远高于排风量，因此模拟工况D的烟气控制效果与模拟工况B相比，并未出现明显改善。

通过以上分析可以看出，火灾中进风系统的开启会影响烟气羽流的流动，造成烟气层紊乱，从而扩大火灾烟气的影响区域面积；然而进风气流可以加速烟气向上部的运动，在舱室顶部具有开口的情况下，可以加速烟气的排出，从而降低舱室内的烟气浓度。火灾中排风系统的开启可以有效控制烟气向其他区域的扩散蔓延。

3.2 温度分布模拟结果对比分析

火灾产生的高温对于火场内的人员和设备安全乃至舱室结构的稳定性都有很大的影响，因此火场温度是评判通风系统是否能够有效控制烟气的重要因素。

起火后180 s，不同通风工况条件下，机舱内温度分布见图3。

图3 不同通风工况中机舱内温度分布(起火后180 s)

通过4种通风情况下机舱内温度分布的对比可以看出，火灾中机械进风和机械排风系统的开启均能够有效降低着火舱室内的温度。

火灾中进风系统的开启能够将新鲜的空气送入火场，通过新鲜空气的冷却作用达到降低火场温度的作用，同时新鲜空气的进入还可以为舱室内人员提供较为理想的逃生环境，对于保证舱室内人员安全具有重要意义。但是与上节烟气扩散模拟结果中的分析一致，进风气流会扰乱烟气层的稳定，从而加速烟气向其他区域的蔓延。因此，从图中可以看出，模拟工况B和模拟工况D中，由于存在机械进风，尽管着火的机械处所区域内的温度有较为明显的降低，但是烟囱围井内的温度却与未开启机械进风的情况相比有所增大。

火灾中机械排风系统的开启，尽管不能通过送入新鲜空气而使得火场温度降低，但是可以使烟气通过排风管道快速有效地排出至室外，以减少烟气在着火舱室内的聚集，从而降低火场温度。但是从图中可以看出，在模拟的情况中，排烟系统对于降低室内温度的效果劣于进风系统。

3.3 能见度分布模拟结果对比分析

火场中能见度对于火场内人员逃生以及损管人员探火和灭火工作的开展具有很大影响，因此火场能见度也是评判通风系统是否能够有效控制烟气的重要因素。

起火后180 s，不同通风工况条件下，机舱内能见度分布见图4。

图4 不同模拟工况中机舱内能见度分布(起火后180 s)

通过4种通风工况下能见度情况的对比可以看出，进风系统对于降低着火区域内的能见度具有较好的效果；然而进风气流会加速烟气向其他区域的扩散蔓延，因此进风系统的开启同时也会造成其他区域能见度的下降。

排风系统能够将火灾烟气排出室外，控制烟气的扩散和蔓延，但是当火灾发生一段时间后，其对于降低着火区域内的能见度效果较差。

4 结论

1)火灾中开启进风系统可以有效降低系统设置区域的温度，并提高该区域的能见度，有利于保证人员和设备在火场中的安全，并为损管人员探火和灭火工作提供良好环境。但是，进风气流同时会造成烟气层的紊乱，加速烟气向非着火区域的扩散蔓延，增大火灾烟气影响区域范围，从而造成进风系统设置区域以外的场所火灾危险性增大。因此在实际船舶消防设计中，若在火灾中采用机械进风系统进行烟气控制，则必须采用试验或模拟的方法确定合适的进风风速，以使得进风系统在降低火场温度、提高能见度的同时，尽量减小对烟气层的干扰。

2)火灾中开启排风系统可以将火灾烟气及时有效地排出舱室外，从而减少高温烟气在舱室内的聚集，对降低着火舱室的温度、提高能见度具有良好的效果。

5 后续研究重点

1)本文通过一个算例的模拟分析，仅得到了船舶机舱现有机械进风系统和机械排风系统对于烟气控制效果的定性影响，可以看出，排风系统对于火灾烟气控制基本可认为是有利的，然而进风系统对于火灾烟气具有双重影响。以往的试验研究表明，在不同类型和尺寸的船舶舱室中开展的通风系统对烟气控制影响的研究，所得结果并不一致，甚至可能得到相反的结论。因此应考虑舱室尺寸、船舶类型等多种因素，针对通风系统对于烟气控制影响这一问题，进一步开展试验和模拟研究。

2)本模拟中分析内容均针对火灾初期，因此并未得到通风系统对于火势增强方面的结论。基于理论分析，在火灾初始阶段，舱室内氧气量通常较为充足，即火灾处于燃料控制阶段，此时通风系统的开启对于火势发展的影响不大；在火灾发展到一定程度后，火场内氧气含量相对不足，即燃烧处于通风控制阶段，通风系统对于火势的蔓延有着极大的影响。相关研究给出的此临界时间为5～8 min，然而此结果的正确性和普适性还有待进一步研究。

3)本模拟中的机械进风系统和机械排风系统均采用典型船舶机舱中现有通风系统，系统中的进、排风量、风口大小、风口位置等参数的设置都没有考虑火灾烟气的控制效果。因此，仅能定性得到进风系统和排风系统对于机舱内烟气流动参数的影响；而未能得到烟气控制的理想效果。在后续的研究中，可根据船舶机舱实际结构和需求，在设计船舶机舱机械通风系统时，兼顾烟气控制效果，从而得到更准确的结果。

[1] GAMBLE G I，LAMBRINEAS P，KENNETT S R. Overview of ship survivability to the onset of fire following a weapons strike [R]. Ship Survivability Enhancement Program，Fire Series Data，Maritime Platforms Division，Defense Science and Technology Organization，1998.

[2] PER WALMERDAHL. An introduction to the concept of weapon-induced fires [R]. Department of Fire Safety Engineering, Lund University, Sweden, 1999.