2025, Vol. 47
2. 海军装备部，北京 100841;
3. 哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150006;
4. 中国船舶集团有限公司第七二六研究所，上海 201108
2. Department of Naval Armament, Beijing 100841, China;
3. Harbin Engineering Univercity, Harbin 150006, China;
4. The 726 Research Institute of CSSC, Shanghai 201108, China
机舱是各类船舶动力设备以及电气设备放置的区域，由于机舱还存放有大量供船舶使用的燃油，十分容易发生火灾[1]。火灾发生后的热损伤会对设备的机械性能和电性能造成严重损伤[2]。船舶使用最多、最广泛的是水灭火系统和细水雾灭火系统[3]。细水雾系统能有效降低温度烟气的温度，可以通过冷却和窒息2种机理灭火[4 − 5]。李晓康等[6]模拟了受限空间内细水雾灭火性能和机理，发现细水雾对中尺寸油盘火为冷却灭火，对大尺寸油盘火为窒息灭火，无法熄灭小尺寸油盘火。孟昭旺[7]对海上生活平台细水雾系统扑灭机舱火灾进行了数值模拟，认为喷射口距离机舱底面高度越高，灭火时间越快。许超逸[8]认为油池高度的增加，熄灭时间将延长，但是火灾的危害性相对减小。王禧锦[9]认为火灾发生时船舶舱室内同一水平面温度值相近。Roberto等[10]对比了船舶机舱细水雾灭火FDS仿真结果和公认的防火测试试验室的全尺寸测试数据，结果表明，FDS仿真结果在舱室温度演变和灭火时间上有较好的一致性。Gaghyeon等[11]使用FDS 研究了某核电站应急柴油机室细水雾灭火的效果，讨论了不同参数设置对数值仿真结果的影响。Liu等[12]研究了机舱坡度对船舶机舱火灾发展的影响。本文针对某新型柴油机，研究其可能发生的火灾形式，提出合理有效的消防措施并量化消防效用，以快速灭火为目标，切实有效地提升机舱的火灾防控安全性及生命力。
1 机舱火灾危险源及火灾场景构建图1为某机舱三维模型图，共包含2台柴油机以及相应辅助设备。该柴油机采用高压共轨电喷技术。喷油系统压力比传统机器要高出几倍，雾化更好燃烧充分，从而提高了动力能力。但是当电控喷油器、高压油泵等设备出现细微故障时容易产生燃油泄露，亦或是在损伤时背压的作用下喷出，遭遇到火源或高温表面等极易产生危险的喷射火。或者由于设备密封性损坏，造成燃料的大量泄漏，集聚后形成油池。由此可见，对于该机舱，常见的火灾主要有喷射火和油池火。
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图 1 机舱三维建模图 Fig. 1 3D model of engine room |
机舱喷射火最易形成的原因是高压供油管路破裂导致燃料遇到热表面引燃，是机舱内常见的火情之一。通过分析柴油机组成及设备分布，定位如图2所示的喷射火范围，主要发生在机组侧面。
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图 2 喷射火范围示意图 Fig. 2 Jet fire range diagram |
高压油泵完成燃油从低压到高压的输送。高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道。这2个设备中压力过高，设备密封性出现破损后可能产生泄露，进而积聚后形成油池，容易产生油池火，燃油积聚所形成的油池大概率会聚集在舱底部相对低洼的区域内，图3为大概率形成油池火范围的示意图。
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图 3 油池火范围示意图 Fig. 3 Pool fire range diagram |
油池火或具有一定喷洒压力的喷射火是高压共轨主体设备中最易产生的2种典型火灾形式，有时甚至可能形成池火与喷射火同时存在的复合类型火灾。为了开展数值模拟及实验分析，建立以下2种火灾场景：
1）推进机器模型侧面6 MW喷射火；
2）由于燃油泄漏引发火源面积2 MW油池火。
机舱的火源参数设置按照MSC/Circ.1165以及MSC/Circ.848规定的火源场景参数选定。当火情发生时，人员的最佳逃生时间仅仅是初期的前几分钟。本次研究拟通过计算机数值模拟计算的方式仿真火灾发生后30 min（
以细水雾为例，具体分析机舱消防过程。
细水雾喷头布置在4台大型机组中间上方，即3条走廊上方每条走廊上方布置2个细水雾喷头（见图1）。当机舱发生喷射火时，设定为在火灾发生20 s后探测到火源，随即启动细水雾系统进行对火灾的抑制和扑灭。
通过FDS数值模拟，得到了船舶发生火灾后30 min情况下细水雾系统对于火灾的扑灭和抑制情况，图4为3个不同时刻的细水雾系统对于喷射火形成的火灾的抑制效果以及对于周围环境的影响。
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图 4 喷射火时细水雾灭火情况 Fig. 4 Water mist fire extinguishing during jet fire |
机舱内火灾在前20 s时发生并形成规模，在20 s时细水雾系统启动并开始灭火，喷射火从20 s时持续燃烧至135 s后逐步开始减弱，且在150 s后火焰完全熄灭，即便燃料继续泄露也并无再次复燃的情况产生，直至计算
机舱内共设置8棵温度树，每棵树上共12个温度测点，采用机舱中心位置温度测点代表该空间的整体水平，图5为机舱内中心位置温度树4 m处与机舱内3甲板中心位置2 m高处温度随时间的变化规律。由图可知，机舱发生喷射火时，在200 s内温度持续上升达到较高温度约500℃左右，伴随细水雾灭火系统开启后温度逐步下降，并在完全抑制火灾后保持稳定状态。3甲板处的温度测点温度上升不如机舱中心处变化明显，由于离火源中心较远，高度在3甲板2 m高处，在前200 s左右达到峰值约为100℃后随火灾被抑制温度逐步降低并稳定在25℃左右。
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图 5 喷射火时机舱中心位置4 m及3甲板2 m高度温度变化 Fig. 5 Temperature change at 4 m height in the center of the engine room and 2 m height of deck 3 during jet fire |
图6为在采用细水雾灭火方式的情况下机舱内部3甲板上层区域的温度分布情况，可见温度在火灾发生时开始变化并逐步升高，伴随灭火装置开启，温度得到明显控制，在火灾被完全抑制之后，温度恢复到20℃没有波动，直至计算结束。
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图 6 机舱内部不同时刻温度变化情况 Fig. 6 The temperature inside the cabin changes at different times during jet fire |
模拟结果表明，采用细水雾、水喷淋、封闭式3种灭火方式，灭火过程及温度变化趋势、舱室温度分布大致相同，因此不再赘述。
热释放速率表明了火灾的燃烧强度，当热释放速率为0时，可认为本次火灾已被扑灭。机舱中心位置4 m高度为火焰正上方温度，在100 s时刻温度基本达到峰值，3甲板2 m高处是人员近可能远离的区域，机舱通向2甲板的楼梯口处是人员逃离路线，同时也是热量向外流动的位置，在200 s左右达到峰值，典型位置的温度如表1所示。
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表 1 喷射火时不同灭火方式效果 Tab.1 Effects of different fire extinguishing methods during jet fire |
可知，封闭式CO2灭火效果比水喷淋更好，但不能有效降低火灾发生时的温度。细水雾由于雾化后既能隔绝空气，对燃烧有抑制作用，也由于喷洒更均匀，降温效果也更好，消防灭火效果最好。
2.2 油池火发生时以细水雾为例具体分析机舱发生油池火时的灭火过程。火焰的燃烧情况如图7所示，在油池火20 s充分燃烧后启动细水雾灭火系统，油池火在20 s时持续燃烧至350 s后逐步开始减弱，且在360 s后完全熄灭，细水雾整个灭火过程340 s左右。
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图 7 油池火时细水雾灭火情况 Fig. 7 Water mist fire extinguishing during pool fire |
图8为机舱中心位置和3甲板2 m高度的温度变化，可知，在细水雾的作用下，尽管火灾持续燃烧，但舱室内温度始终在150℃以下，降温效果较为明显。
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图 8 油池火时机舱中心位置4 m及3甲板2 m高度温度变化 Fig. 8 Temperature change at 4 m height in the center of the engine room and 2 m height of deck 3 during pool fire |
图9为燃烧过程中机舱内温度的分布，可以看出，在燃烧过程中火焰正上方温度值较高，燃烧的热量到2甲板后向四周扩散开来。
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图 9 机舱内部不同时刻温度变化情况 Fig. 9 The temperature inside the cabin changes at different times during pool fire |
表2为在2 m2油池火发生时，不同灭火方式的效果，从中可以看出，油池火燃烧不如喷射火剧烈，灭火时机舱内温度更低，但所需的灭火时间更长。
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表 2 不同灭火方式效果 Tab.2 Effects of different fire extinguishing methods during pool fire |
为进一步验证细水雾灭火的作用效果，在燃烧室中搭建了机舱喷射火和油池火的实体火灾试验。
对室内的温度场进行分析，采集燃烧室屋面23个测点；另在燃烧室内西墙、东南角和北墙各布置了高度为7 m的热电耦树，布置位置如图10所示，热电耦安装间距20～40 cm，从下到上依次编号01～18。
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图 10 燃烧室屋面及室内主要传感器的布置图 Fig. 10 The layout of combustion chamber roof and main indoor sensors |
试验模拟了5.8 MW低压喷射火，燃油喷头距离水雾喷头约2.1 m，在2个细水雾喷头之间，无遮挡。喷射火时火灾场景如图11所示。
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图 11 细水雾灭火过程中火焰的形态 Fig. 11 The shape of the flame during jet fire |
图12反映了各测点的温度变化。从屋面热电耦的温度变化来看，由于火势猛烈，火羽流几乎上窜至屋面高度，因此上层烟气温度较高，约到达370℃。
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图 12 喷射火时不同位置温度变化 Fig. 12 Temperature changes at different locations during jet fire |
SE、MW和MN热电耦树反映的室内烟气温度变化趋势较为相似。均以细水雾喷头高度（约3.5 m）处为界大致分为低温区与中高温区，低温区温度不超过70℃，中高温区温度在85℃～300℃。
数值模拟计算封闭机舱的条件下，6 MW喷射火在前20 s火灾发生并形成规模，且在20 s时启动细水雾灭火，喷射火从20 s时持续燃烧至135 s后逐步减弱，且在150 s后火焰完全熄灭，即灭火时间约为120 s。机舱发生6 MW喷射火后，室内温度持续上升至约500℃，启动细水雾后峰值温度约为150℃。此外，还模拟了不启动灭火装置的条件下，由于室内缺氧窒息，喷射火熄灭时间约为130 s。
实火试验中，实测最高温度为火焰正上方烟气温度372℃；上层烟气温度在220℃～275℃，中区温度约为110℃～170℃，低区温度约为60℃。灭火时间为112 s。
3.2 油池火2 m2的油盘放置在细水雾喷头下方，2个水雾喷头之间的位置（见图13）。油盘至少1/2的面积受到柴油机组遮挡，部分受到2.1 m行人铺板的遮挡。油盘距离地面约10 cm，与水雾喷头的距离约3.3 m。
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图 13 2 m2油盘位置简图 Fig. 13 2 m2 oil pan position diagram |
油池火时不同位置的温度变化如图14所示。从屋面热电耦的温度变化看，预燃阶段火焰上方的烟气温度最高达到267℃，而细水雾施放以后直至试验结束温度一直处于下降趋势。单个热电耦温度的高低与距离火源的位置相关。
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图 14 油池火时不同位置温度变化 Fig. 14 Temperature changes at different locations during pool fire |
SE热电耦树距离火源较远，与火源无接触，但接近细水雾作用的范围，可见在油盘火未被扑灭前，在高度方向上，特别是水雾喷头的上方存在明显的温度分层现象，而火源被扑灭之后室内温度逐渐趋于整体降低至试验前状态。MW热电耦树反映的温度变化与SE热电耦树类似，只是由于更靠近火源，即使火源被扑灭但上层烟气的降温速率相比SE要慢一些。而MN热电耦树由于远离火源同时也不在细水雾作用的范围内，以中性面为界，存在比较明显的温度分层，而火源被扑灭后，烟气的降温速率要比细水雾作用范围内的区域更慢。
4 结 语本文针对某新型柴油机高压共轨电喷供油的特点，分析了其典型火灾发生场景，并建立了物理模型，通过仿真手段，分析了细水雾、水喷淋以及封闭式CO2灭火3种灭火形式，3种灭火的灭火趋势是相同的。而细水雾灭火可以更好地降低火灾发生时环境的温度，以及更短的灭火时间，灭火效果优于其他2种形式，并搭建机舱典型区域类实体场景，获得了细水雾作用下喷射火和油池火燃烧的温度场变化情况，验证了细水雾灭火系统的良好性能。
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