考慮開口與火源位置影響的船舶封閉空間火災(zāi)動力學特性模擬研究.pdf

1、火災(zāi)是船舶災(zāi)難性事故之一，可能導致嚴重的船舶損傷和人員傷亡。認識開口與火源位置對船舶艙室火災(zāi)的影響是船舶安全工程的重要內(nèi)容，可為船舶安全設(shè)計、火災(zāi)預(yù)防和撲救等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。為了研究開口與火源位置對船舶艙室火災(zāi)的影響，本文針對不同火源和開口位置下的頂部開口腔室火災(zāi)，以及無豎直開口腔室中的火源抬升行為開展了實驗研究和理論分析。提出了一系列船舶艙室火災(zāi)參數(shù)預(yù)測模型并對其影響因素進行了表征。本文實驗條件下得到的主要結(jié)論如下:
　

2、　分析了頂部開口腔室中火源水平位置（火源XY因素）對火災(zāi)行為的影響。在頂部中央開口腔室中，將火源移離地板中央會增長穩(wěn)定燃燒時間并降低火源平均質(zhì)量損失速率，燃燒全過程的艙內(nèi)氧氣濃度空間平均值和火源平均燃燒效率均會降低。不同火源位置下頂部開口臨界尺寸存在顯著差異?；鹪慈紵孰S火源區(qū)氧氣濃度的時平均值的升高而線性增大。建立了可用于比較不同熱釋放速率池火的無量綱火焰高度。頂部開口腔室池火存在火焰拉伸現(xiàn)象;以中央火為基準參考，其他位置火焰存在“

3、拉伸”行為和卷吸受限。建立了反應(yīng)腔室蓄熱能力、可用于比較不同位置火源下腔室溫升的無量綱溫升參數(shù)。當火源位于開口正下方時，無量綱溫升最小。對于水平位置不同的火源，不同的卷吸率和離頂部開口的距離是影響其火災(zāi)行為的兩大因素。腔室內(nèi)平均煙氣密度隨頂部開口尺寸的增大而減小，中央火的下降趨勢較墻壁火和墻角火更為明顯。由于具有更大的熱釋放速率，中央火的腔室煙氣填充速率更快。影響中央火的主導因素為熱反饋增強，墻角火占主導地位的因素為氧氣受限，而墻壁火受

4、“熱反饋增強和氧氣受限”共同作用。
　　研究了頂部開口腔室的開口位置（開口XY因素）對火災(zāi)行為的影響。頂部中央開口腔室火源質(zhì)量損失速率略大于頂部拐角開口腔室火源質(zhì)量損失速率，其火源燃燒效率和熱釋放速率均高于頂部拐角開口腔室火源對應(yīng)值。不同開口位置情況下的火焰拉伸特性無明顯差異。由于蓄熱性較頂部拐角開口腔室差，頂部中央開口腔室無量綱溫升低于頂部拐角開口腔室無量綱溫升。當頂部開口遠離火源上方，其室內(nèi)的氧氣受限作用和熱反饋效應(yīng)將增強。頂

5、部開口腔室中的平均溫升速率隨火源面積指數(shù)增大，對應(yīng)的頂部中央開口腔室的指數(shù)大于頂部拐角開口腔室的指數(shù)。頂部中央開口腔室平均煙密度隨頂部開口尺寸的增大而降低，而頂部拐角開口腔室的平均煙密度則基本保持不變。頂部拐角開口腔室中的煙氣填充速度比頂部中央開口腔室煙氣填充速度慢。采用恒定火源功率對開口位置的影響進行了數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬結(jié)果與對實驗結(jié)果進行無量綱分析得出的結(jié)論一致。
　　揭示了頂部開口或無開口腔室中抬升火源（Z因素）的行為規(guī)

6、律。(1)揭示了頂部開口腔室中抬升火源的行為特性。當火源抬升高度較高時，其質(zhì)量損失速率變小且穩(wěn)定燃燒時間變長。抬升火源情況下頂部開口腔室中的煙氣消光系數(shù)、氧氣濃度和氣體溫度等火災(zāi)環(huán)境參數(shù)具有明顯的分層特性。對于較高位置的火源，其煙氣沉降速率較慢。(2)揭示了抬升火源情況下無開口封閉腔室典型煙氣填充過程。煙氣消光系數(shù)、氧氣濃度和氣體溫度分布均呈現(xiàn)明顯分層，且分層界面為火源高度平面。在抬升火源情況下的無開口封閉腔室中，煙氣層沉降并滯止于火源

7、高度平面，進而通過墻壁射流繼續(xù)煙氣填充過程。(3)可視化實驗顯示墻壁射流穿透分層平面沿著墻壁向下沉降;之后，煙氣在地板平面累積并從地板中央上升。(4)發(fā)現(xiàn)對于火源位置較高的情況，腔室內(nèi)不同高度處氧氣濃度差異較大，充分混合假設(shè)不成立。當火焰觸頂時燃料在點燃后迅速沸騰，其燃料平均質(zhì)量損失速率遠大于開放空間自由燃燒值?；谟^測到的分層現(xiàn)象建立了氧氣消耗率的計算方法。無開口封閉腔室中抬升火源平均燃燒效率和碳轉(zhuǎn)化率隨其抬升高度線性降低。火焰觸頂情

8、況下的抬升火源在燃燒早期危害性較大。火焰觸頂情況下火源平均熱釋放速率并無明顯升高。
　　建立了船舶A60艙室綜合傳熱系數(shù)模型、頂部開口腔室火災(zāi)溫度模型、全艙平均氧氣濃度和煙氣密度關(guān)系式等船舶艙室火災(zāi)參數(shù)預(yù)測模型，并對相關(guān)模型的影響因素進行了表征。對于船舶A60結(jié)構(gòu)艙室，其平均綜合傳熱系數(shù)與火源熱釋放速率的三分之一次方成正比。討論了對現(xiàn)有計算頂部開口傳熱方法的使用和誤用:當火源位于開口正下方時，羽流誘導的頂部開口傳熱占主導地位。需謹

9、慎應(yīng)用Cooper模型計算頂部開口傳熱。提出了當火源位于開口正下方時的開口傳熱的處理方法。基于能量守恒和頂部開口流動經(jīng)驗關(guān)系式，推導建立了頂部開口腔室火災(zāi)的溫度預(yù)測模型。對于水平位置因素，其影響反映在所建立的反映“總熱釋放量與開口散失熱量比”以及“墻壁熱損失與開口散熱熱量比”的兩個無量綱量的指數(shù)上。對于移離開口正下方的火源，其溫升與火源熱釋放速率的三分之二次方成正比;對于位于開口正下方的火源，其溫升與火源熱釋放速率的三分之四次方程正比，