2018, Vol. 40
2. 中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州，450015;
3. 哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨，150001
2. The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China;
3. College of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
弹药舱是舰船的重要舱室，属于高危险性和易爆炸区域，其安全关乎舰船的战斗力和生命力[1]。弹药舱内即使再小的火情也可能引发灾难性后果，因此需要火灾探测设备能在火灾发生初期尽早探测报警，以便在事态严重之前采取有效应对措施。考虑到舰船火灾风险评估中最不利场景原则[2]，结合舱室内杂物等堆放位置情况，发生在舱室内角落等较隐蔽位置处的杂物被引燃而形成的火灾属于火灾早期探测的典型不利场景。而且弹药舱室内为了保持恒定的温湿度，通常都配备有通风系统，在通风影响下，火灾热流场也会受到影响，从而呈现特殊的规律特性，目前对此类流场特性还缺乏深入的认识。随着CFD场模拟技术和计算机硬件条件的不断发展，数值模拟已被广泛应用于舰船舱室火灾特性研究中[3 – 5]，有结果证明数值模拟可以在降低实验成本的同时简便快捷地得到舰船舱室火灾相关数据[6]。本文利用数值方法对有通风的弹药舱室内角落火灾热流场进行模拟，对舱室内各火灾温度探测器处的相关参数变化情况进行分析，所得结论对于有通风舱室火灾早期探测有一定的指导意义。
1 舱室模型与计算方法所研究的弹药舱室为长方体结构，舱室内部空间尺寸为：长12 m，宽8 m，高3.5 m。舱室两侧上部各有6个对称分布的风口，各风口尺寸为0.3 m×0.25 m，风口中心距舱室上壁面0.2 m，每个风口的风量为0.187 5 m3/s。舱室内地面上布置有6组弹药架。舱室结构如图1所示。
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图 1 舱室结构示意图 Fig. 1 Schematic diagram of cabin structure. |
在舱室上壁面以下0.3 m所在高度平面上，设置有8个点型温度火灾探测器，各探测器布置位置如图2所示。各探测器的采样频率为5 Hz，每秒输出一个采样平均数据。假设在火灾过程中，舱室门始终保持关闭状态，舱室没有自然开口。在通风作用下，舱室内温度保持在23 ℃左右。根据研究舱室内的杂物堆放情况，假设舱室内弹药架周围存放或遗落的杂物形成小面积角落火灾，火源面积假定为0.02 m2，火源位于舱室靠近送风口一侧的角落附近，如图3所示。
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图 2 舱室内探测器布置（单位：m） Fig. 2 Detector position in the cabin (unit: m) |
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图 3 舱室内火源位置 Fig. 3 Fire location in the cabin |
整个计算空间使用规格化网格划分，火源所在区域和舱室上部热烟气流经区域的网格边长0.025 m，其余区域的网格边长0.1 m，计算区域网格划分情况如图4所示。计算过程利用美国国家标准与技术研究院（NIST）开发的火灾模拟软件FDS（Fire Dynamics Simulator）[7]来完成。在整个流场计算过程中，先计算舱室内的通风流场，待通风流场达到稳定状态后才启动火源进行各火灾场景的热流场计算。
火源初期发展采用αt2火灾模型[8]，分别考虑火灾发展系数a为0.002 9 kW/s2、0.011 7 kW/s2、0.046 9 kW/s2和0.187 6 kW/s2，以代表不同燃烧物所形成的慢速火、中速火、快速火和超快速火4种典型火灾初期发展情况。同时假设火源的最大热释放率为250 kW。火灾发生后200 s内的4种火灾场景热释放率增长曲线如图5所示。
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图 4 计算区域网格示意图 Fig. 4 Schematic diagram of the grid distribution in the calculation area |
对于所研究的4种火灾场景，在火灾发生200 s内，舱室内火灾探测器T1~T8的最高温度如图6所示。由图中可以看出，随着火灾增长系数增大，火源达到最大热释放率耗时缩短，各温度测点最高温度值逐渐增大；对于同一种火灾场景，虽然火源位于舱室内角落附近靠近通风上游位置，但是通风下游的温度测点T2、T4、T6和T8的最高温度值明显高于其对应通风上游的T1、T3、T5和T7测点，距离火源较近的通风下游测点T8是所有温度测点中温度值最高的，并且随着与火源距离的增加，所能达到的最高温度值逐渐降低，通风下游测点与其所对应的上游测点间最大温差可接近10 ℃以上。
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图 5 不同类型火灾热释放率曲线 Fig. 5 Heat release rate curves for different types of fires |
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图 6 不同火灾场景时各测点位置的最高温度 Fig. 6 Maximum temperature at each measurement point in different fire scenarios |
鉴于火灾中温度探测器多是以其温度达到50 ~70 ℃作为发出火灾报警信号的判定阈值，对于所研究的各火灾场景，测点T1~T8的温度值首次达到50 ℃的时间结果如表1所示。由表中结果可以看出，在所研究的火灾发生后200 s内，当火灾增长系数0.002 9 kW/s2时，测点T1~T8均未能达到50 ℃，当火灾增长系数a为0.011 7 kW/s2、0.046 9 kW/s2和0.187 6 kW/s2时，测点T1~T8的温度值均可以达到50 ℃以上，并且随着火灾增长系数的增大，各测点温度值达到50 ℃所需的时间最大值由177 s逐渐减少至92 s。另外，对于同一种火灾场景，测点T8最先达到50 ℃，其次为测点T7和T6，距离火源较远的通风上游区域测点T1和T3达到50 ℃时间最晚。
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表 1 各火灾场景中各温度测点温度值首次达到50 ℃的时间 Tab.1 The time when the temperature reached 50℃ for the first time in each fire scenario |
对于各火灾场景，测点T1~T8的温度随时间变化如图7所示，图中对测点温度变化初期进行放大。由图中可以看出，由于火源位于舱室靠近通风上游的角落处，其正上方最近温度测点为T7，因此各火灾场景产生的热烟气均使其上部最近测点T7的温度最先开始上升，通风下游测点T8温度随后才上升，而测点T8的温度上升速度明显高于测点T7，致使T8的温度值很快超过测点T7而成为所有测点中温度值最高的测点，这说明尽管火源所在上方的通风下游区域温度测点温度值是所有测点中最高的，但是火灾产生的热烟气最先影响的还是其正上方距离最近的温度测点，随后才在通风的影响下使热烟气作用于通风下游区域温度测点。
火灾增长系数0.011 7 kW/s2时，火灾发生后60 s、90 s和150 s时刻，温度测点所在高度平面温度分布如图8所示。可以看出，火源引起的近舱室上壁面区域温度变化影响区域首先是火源正上方区域及其通风下游区域，随着时间增长，高温区域在通风下游向远离火源的区域逐步扩大，远离火源的通风上游区域在较长时间内受火灾高温热烟气的影响较小。
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图 7 不同火灾场景时各测点温度随时间变化 Fig. 7 Change in temperature at the measuring point over time in different fire scenarios |
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图 8 火灾增长系数a=0.011 7 kW/s2时温度测点所在平面温度场（单位：℃） Fig. 8 The temperature field of the plane where the measurement points are located at the fire growth coefficient a=0.0117 kW/s2 (unit: ℃) |
通过采用数值方法对一有通风的船舶弹药舱室内4种不同火灾增长系数形成的不同类型角落火灾进行模拟，通过对200 s内的火灾初期结果比较分析得到：
1）随着火灾增长系数增大，相同时间内各温度测点所能达到的最高温度值逐渐增大，并且位于通风下游的温度测点所能达到的最高温度值明显高于其对应通风上游的测点，最大温差可接近10 ℃以上。
2）当火灾增长系数a大于0.011 7 kW/s2时，舱室上壁面附近各温度测点值均可以达到50 ℃以上，并且随着火灾增长系数的增大，各测点温度值达到50 ℃以上所需的时间最大值由117 s逐渐减少至92 s，位于火源所在上方的通风下游测点是所有测点中最先达到50 ℃，距离火源较远的通风上游区域测点达到50 ℃所需的时间耗时最长。然而，但是火灾产生的热烟气最先影响的还是其正上方距离最近的温度测点，随后才在通风 的影响下使热烟气作用于通风下游区域温度测点。
3）由靠近通风上游区域的舱室角落处火源引起的近舱室上壁面区域温度变化影响区域首先是火源正上方区域及其通风下游区域，随着时间增长，高温区域在通风下游向远离火源的区域逐步扩大，高温区域主要集中在舱室通风下游，远离火源的通风上游区域在很长时间内难以受到火灾高温热烟气的影响。
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