0 引　言

区别于建筑火灾，船舶火灾因其舱室结构和载荷种类及其分布特性等具有独特性，一旦发生火灾会对船舶生命力造成重大威胁^[1-3]。此外，船舶火灾损害管制以“预防为主，防治结合”，侧重于舱室火灾扑救^[4]。烟气作为一种复杂的热浮力驱动流，与舱室火灾发展蔓延密不可分，是船舶火灾研究的重要方面^[5-6]。本文以船舶舱室火灾为例，研究顶部开口条件下火灾烟气的流动蔓延特性及其对上层甲板舱室的影响：1）探讨分析顶部开口舱室烟气气体交换及其影响因子；2）建立顶部开口舱室虚点源简化模型，对火灾烟气流动蔓延规律进行建模分析；3）以实船火灾缩尺试验为例对甲板间烟气流动蔓延规律模型进行CFD仿真验证。

1 船舶舱室烟气填充过程

船舶舱室以顶部开口为主，尤其是水线面以下舱室。不同于竖直开口舱室，水平开口舱室火灾烟气在热浮力驱动力下不断卷吸冷空气形成垂直向上烟羽流，并在舱室顶部形成撞击羽流，少部分烟气直接沿水平开口处垂直溢出形成开口溢流，大部分烟气在卷吸和重力双重作用下在舱室内竖向蔓延，如图1所示。

本文主要针对开口处烟气交换模式及其影响因子进行探讨分析，并结合CFD仿真软件对开口溢流烟气进行理论分析和验证。

1.1 开口气体交换模式

船舶水平开口舱室火灾烟气在密度差和烟气热浮力等共同作用下进行气体交换，其气体交换模式复杂多变，与由密度差引起的压力差 ${P_\rho }$ 和由温度差引起的压力差 ${P_{ex}}$ 密不可分，开口压差 $P$ ^[7]为：

$\left\{\begin{aligned} &P = {P_\rho } + {P_{ex}} \text{，}\\ &{P_\rho } = \Delta \rho g{D_v}\text{，}\\ &{P_{ex}} = 1/(2{\rho _g}){\left(\frac{{{{\dot Q}_c}}}{{{c_p}{T_g}{A_v}}}\right)^2}\text{。} \end{aligned}\right.$

(1)

在开口气体交换模式影响因子分析的基础上，引入无量纲参数 $B$ 以表征由密度差和温度差形成压力差的比值对影响因子与气体交换模式间相互关系进行总结分析。其中：

$B = \frac{{\Delta \rho g{D_v}}}{{{P_{ex}}}} = \frac{{Gr}}{{{{\operatorname{Re} }^2}}}\text{。}$

(2)

式中： ${D_v}$ 为开口当量直径， ${A_v}$ 为开口面积，对于矩形开口来说 ${D_v} = \sqrt {{A_v}} $ ； $Gr$ 为Grashof数， $Gr = \dfrac{{\Delta \rho /\bar \rho gD_v^2}}{{{\mu ^2}}}$ ， $\bar \rho $ 为平均气体密度， $\bar \rho = ({\rho _g} + {\rho _a})/2$ ； ${Re}$ 为雷诺数， ${Re} = {D_v}/\mu \sqrt {\dfrac{{\Delta p}}{{\bar \rho }}}$ ， $\mu $ 为运动粘性系数。

由理想气体状态方程得： ${\rho _a}{T_a} \!=\! {\rho _g}{T_g}$ ； $\Delta \rho {T_g} \!=\! {\rho _a}\Delta T$ 。

因此，式（2）可进一步简化为：

$B = C\frac{{\Delta TD_v^5}}{{{{\dot Q}_c}^2}} = f(\Delta T,{D_v},{\dot Q_c}) \text{。}$

(3)

由式（3）可知，无量纲数B与火源热释放速率，开口当量直径和开口温升有关。当B<0.10时，水平开口气体交换由 ${P_\rho }$ 决定， ${P_{ex}}$ 可忽略不计；同理当B>1时，水平开口气体交换由 ${P_{ex}}$ 决定， ${P_\rho }$ 可忽略不计^[8-9]。此外，无量纲数B也被用来作为水平开口腔室气体交换模式的判定依据，如图2所示。

1.2 水平开口烟气流动模型

烟气质量流率和烟气温升等特征参数是开口舱室火灾烟气蔓延的基础，是舱室开口处气体交换的主要研究方面。在船舶舱室水平开口处烟气流动参数分析过程中，通常采用M-Q-H温度预测方法和盐水模拟类比方法对其温度和质量流率进行估算^[10-11]：

${\dot m_{out}} = 0.352{C_d}\pi {\rho _g}{({D^5}g\varepsilon )^{1/2}} \text{，}$

(4)

$\Delta T = 0.522{T_a}{\left( {\frac{{\dot Q}}{{{c_p}{\rho _a}{g^{1/2}}{T_a}{A^{5/4}}}}} \right)^{0.72}}\left( {\frac{{h{A_T}}}{{{c_p}{\rho _a}{g^{1/2}}{A^{5/4}}}}} \right){ ^{ - 0.66}}\text{。}$

(5)

式中： $A$ 为顶部开口面积； $D$ 为顶部开口当量直径； $\varepsilon $ 为与烟气温度相关的参数， $\varepsilon = - 2({T_a} - {T_s})/({T_a} + {T_s})$ ； $h$ 为舱室综合换热系数， $h = 0.002\;9{\dot Q^{1/3}}$ ； ${A_T}$ 为舱室传热面积。

2 水平开口点源简化模型

船舶舱室水平开口处热烟气以溢流烟气的形式流出舱外并在开口附近形成烟羽流区域，热烟气经烟羽流区域后以火羽流的形式在上层甲板舱室内蔓延。如图3所示，烟羽流区域热烟气近似为下方一点火源产生，并通过羽流卷吸作用在临舱内垂向和纵向蔓延。在这一简化模型中虚点源在高度 ${z_0}$ 处的羽流质量为 ${\dot m_0}$ ，温升为 $\Delta {T_s}$ 。因此，由虚点源假设^[12-13]及其相关理论可知船舶舱室水平开口处虚点源火灾特征参数为：

$\dot Q = {c_p}{\dot m_0}\Delta {T_s} \text{，}$

(6)

$\Delta {T_s} = 25{({\dot Q^{2/5}}/{z_0})^{5/3}}\text{，}$

(7)

${z_0} = - 1.02D + 0.083{\dot Q^{2/5}} \text{。}$

(8)

在水平开口近点源模型假设的基础上，溢流烟气以点源火羽流垂直上升的形式在开口上方舱室内蔓延。温度作为火灾预警和人员撤离的主要依据，可由式（9）估算得到^[5]：

$\Delta T = 9.1{(\frac{{{T_a}}}{{gc_p^2{\rho _a}}})^{1/3}}{\dot Q^{2/3}}{(H - {z_0})^{ - 5/3}}\text{。}$

(9)

3 理论分析和仿真验证

以船舶水平开口舱室结构^[14]为例，在开口烟气流动蔓延相关理论的基础上，结合CFD火灾仿真软件对关键位置温度变化和质量流量等特征参数进行理论估算、仿真分析和对比验证，进而对开口烟气近点源简化模型适用性验证性分析。选用开口尺寸和火源直径为自变量，以小尺度船舶舱室小尺度平台为研究对象开展相关理论研究。如图4所示，火源舱室和开口上方毗邻舱室结构尺寸均为1 m×1 m×0.75 m；水平开口位于火源舱顶棚中心，开口尺寸依次为0.1 m×0.1 m，0.2 m×0.2 m，0.3 m×0.3 m，0.5 m×0.5 m；池火源位于火源舱舱底中心，油池直径依次为0.1 m，0.2 m，0.3 m。

3.1 小尺度船舶水平开口舱室CFD模型

在顶部开口舱室CFD火灾仿真过程中，采用t²火模拟实船油火，其火灾增长系数 $\alpha $ 为0.2 kW/s²；舱室网格划分采用局部加密的方法：火源舱中心0.5 m×0.5 m×0.75 m区域网格尺寸为0.01 m×0.01×0.01，其余区域网格尺寸为0.05 m×0.05 m×0.05 m。因此，参考池火燃烧特性相关理论^[15]，仿真过程中池火燃烧特性参数和环境参数设置见表1～表3。

3.2 CFD仿真分析

在水平开口烟气流动蔓延模型简化分析的基础上，本文主要对油池中心线上温度变化规律、开口中心线上温度和压力变化规律、水平开口烟气净流出量以及开口上方舱室近火源区域温度纵向变化规律等进行测量分析。因此，仿真过程中竖直方向上热电偶间距0.05 m，水平方向热电偶间距0.02 m，开口处压力探测器间距0.02 m。

3.3 烟气流动参数对比分析

在开口烟气近点源模型和烟气流动模型的基础上，对烟气流过程中的烟气质量流率和烟气温升等进行估算，并将这一估算结果与仿真结果进行对比分析，如表4所示。可知：1）这一理论计算模型计算结果与仿真测量结果误差在允许范围之内，因此这一水平开口舱室近点源模型可应用于舱室火灾危害性评估；2）火源舱连通舱室顶棚温度受火源舱影响显著，这与火羽流的流动和蔓延特性有关，因此在舱室火灾危害性分析过程中应重点分析水平开口舱室间烟气的流动蔓延特性；3）火源舱水平开口尺寸和火源直径显著影响临舱顶棚温度，因此可通过舱室温度变化来确定着火舱室，为火灾救援提供参考。

4 结　语

本文在船舶顶部开口舱室烟气填充中开口气体交换模式和烟气流动模型分析的基础上，提出了水平开口点源简化模型对甲板间烟气流动蔓延规律进行理论探讨分析，建立了小尺度舱室火灾CFD仿真平台，以顶部开口和火源尺寸等为变量对这一理论模型进行仿真验证。研究结果表明：

1）这一水平开口点源简化模型可应用于火源舱上方舱室火灾危害性评估，能够直观反映顶部水平开口舱室火灾烟气流动蔓延规律；

2）火源舱池火直径和开口尺寸是影响舱室火灾蔓延的主要因素，因此可通过封舱灭火的手段杜绝舱室间烟气的蔓延以达到火灾扑救的目的；

3）临舱火灾特征参数主要受火源舱池火直径和开口尺寸影响，因此可通过火灾探测装置初步判定火源位置和火场状况，为船舶火灾救治提供参考。

此外，这一理论模型适用性验证是建立在舱室火灾CFD仿真的基础上，并未考虑火源高度、开口位置等参数对临舱火灾特征参数的影响，因此仍需开展相关课题的实验和仿真研究，对船舶顶部开口烟气流动规律进行深入探讨分析。