水喷淋系统对邮轮火灾特性影响的的数值模拟

程枫

摘 要：基于近些年邮轮经济快速发展及其火灾特殊性的背景，本文利用FDS 对某邮轮主竖区火灾进行全尺寸模拟，设置有无水喷淋系统两种火灾场景。通过对比分析模拟结果，得出两种工况下监测点温度、烟气层高度和能见度等火灾特性参数的变化规律。研究表明，水喷淋系统虽然会增加烟气生成量，但对整体疏散影响不大，而且能有效地抑制烟气温度的升高，并能把烟气控制在顶棚附近，控制火灾的发展。

关键词：水喷淋；邮轮火灾；FDS；数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.178

1 引言

当前邮轮经济己经成为世界旅游经济增长最快的领域，邮轮旅游也成为旅游业的必然趋势，随之引起的邮轮火灾也日渐增多，然而由于其人员众多、空间狭窄、消防设施受限等特殊性，一旦发生火灾，灭火及救援行动很难展开，所以喷淋系统就显得至关重要。然而水喷淋的作用不仅仅起到冷却的效果，更重要的是对火源的燃烧强度以及烟气、有毒有害气体的生成都将产生重要的影响，存在破坏火灾烟气层稳定以至危害疏散人员的弊端。因此，通过对某大型邮轮进行FDS模拟，从结果中分析能见度和温度的发展规律以及两种情况下的烟气层高度，来验证设置喷淋系统的优势和劣势。

2 邮轮模型建立

2.1 模型结构及网格划分

本文根据某大型邮轮结构图数据运用PyroSim建模，由于受到计算量与计算速度的限制，依据《SOLAS公约》中“主竖区”相关定义将模型简化至整艘邮轮的三分之一，同时保证了计算速度与模拟真实性。根据《邮轮公约（2017）》相关规定设定墙壁、地面、天花板均不可燃。所有门窗均敞开，边界设置为开口，模拟开放的外部环境条件。

邮轮3-6层网格模型长×宽×高=40m×58.0m×16m，7层网格模型长×宽×高=40m×71.0m×3m，8-11层网格模型长×宽×高=40m×80.0m×12m，12 -14层网格模型长×宽×高=40m×58.0m×9m，共划分了841440个网格，网格尺寸为0.5m×0.5m×0.5m。在火源附近12m×9m×3m的范围内进行网格加密，尺寸为0.1m×0.1m×0.1m.根据邮轮实际尺寸建立FDS外部物理模型，场景如图2.1所示：

2.2 火灾场景设计

根据统计资料分析船舶火灾发生的频率显示：对于民用船只来说，起居处所频率最高，机舱第二，货舱第三。根据这一特点，本文将火源设置在邮轮第6层某舱室内。火源尺寸大小为0.5m×0.5m。模拟时间为420S。火源的最大热释放速率设为2MW，计算可得在燃烧大约413秒时达到峰值，火源热释放速率HRR与时间关系函数：

根据可燃物的种类和性质的不同，α有不同取值，具體取值依据见表2.1。

由于邮轮舱室内的可燃物主要为床上用品及木制家具，因此本文取α值为0.01172。

2.3 监测装置设计

由于温度、能见度、烟气层均会对人员疏散造成影响，所以本文邮轮模型中主要设置了温度探测器、烟气层高度探测器、能见度探测器。温度探测器为垂直切片，由于人眼平均高度为1.6m，故设置了距起火层地面1.6m高的水平能见度切片；烟气层高度探测器设置在起火房间门口。

2.4 水喷淋系统设计

根据《国际消防安全系统规则》规定，船用喷淋系统为湿式水喷淋系统，喷头采用快速响应型，本文模型中选用ZSTYS-20型喷头，流量特性系数K=242，响应时间指数（RTI）=28（m.s），动作温度：68℃，走廊中喷淋头设置间距为2.43m，位于走廊中心线，由于邮轮舱室面积小于喷淋头最大保护面积，故每个房间只设置一个喷淋头，位于天花板中心处。

3 模拟结果分析

3.1 走廊温度分析

取距地面1.6m处为监测面，如图3.1（a）——图3.1（d）所示，可观察到温度随时间的变化规律：（1）一般认为，人体所能承受温度为60℃，温度超过60℃即认为是危险状态。而在无水喷淋的工况下，202s时火源所在房间1.6m高度处已达到60℃，420s时达到120℃。（2）在有喷淋工况下，202s时除火源上方外，1.6m高度处温度均低于40℃，420s时才达到60℃。（3）从以上数据分析得知，水喷淋系统启用后，液滴吸收热量能有效地降低温度，减少高温烟气对人体的伤害。

3.2 烟气沉降分析

根据以往火灾事故统计，火灾中大部分人员伤亡是由于吸入过量有害烟气，火灾烟气对人员的危害主要体现在缺氧、中毒及高温烟气窒息。在火源房间门口处设置了烟气层高度探测器。图3.2（a）与图3.2（b）反映了两种工况下的烟气层高度变化规律。

通过对两种工况下烟气层高度曲线图的对比可知：（1）由于水喷淋系统启动瞬间水流冲开烟气层，故数据会显示烟气层高度突然回升（2）在200s前，两种工况下烟气层高度变化并无明显差别，之后水喷淋系统启动，烟气层高度出现较大波动（3）由于喷淋系统启动后会使上部烟气与下部清洁空气混合造成烟气层下降，故其在200s到320s期间降低至1.7m左右，之后逐步回升；而无喷淋系统时，烟气层高度在波动中逐渐下降，420s时才降至1.7m。

3.3 能见度分析

火灾烟气的产生，会导致能见度降低、人员呼吸困难，心理状态紧张，使人员不能以正常行动能力进行逃生和疏散。因此，取人眼特征高度处（通常取值范围为1.2～2m，本文取1.6m）为监测水平面，图3.3（a）——3.3（d）反映了火灾发展过程中能见度在水平面上的变化：

通过观察两种工况下1.6m处能见度水平方向的变化示意图，可知（1）为了保证安全疏散的效果，火场能见度最低不小于5m。对比图3.3（a） 和图3.3（b） 可知，无喷淋工况下，在t = 140s 时，1. 6m 高度处火场的能见度降低到5m，而水喷淋作用后，能见度降到5m 的时间提前了约13s。（2）对比图3.3（c） 和图3.3（d） 可知，无喷淋工况下，约374s时走廊1.6m高度处能见度降至5m，而水喷淋作用后能见度降至5m约推迟了32s。（3）有喷淋工况下，低能见度区仅在火源附近。综上所述，水喷淋作用后，能够把烟气控制在火源上方顶棚附近，阻止非火源区域能见度的急剧下降，为人员逃生创造便利。

4 结论

本文运用FDS模拟有无水喷淋系统两种工况下邮轮火灾的烟气蔓延和温度增长情况。 模拟结果表明水喷淋系统可起到冷却作用，能有效降低顶棚附近的温度和烟气层温度，与此同时，水喷淋系统启动会使上部烟气与下部清洁空气混合降低能见度，且燃料燃烧不充分，会加剧烟气和CO的生成量。但水喷淋系统只会对火源附近区域的烟气浓度造成明显影响，而在该区域内高温危害比烟气危害要严重得多。所以在配合机械通风的情况下，水喷淋系统并不会影响疏散，综上所述，其利大于弊。

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