舰船典型区域火灾烟气流动特性与控制方法研究

摘要

火灾是船舶安全的重大威胁之一，火灾中烟气的有效控制对于保障舰船火灾安全乃至生命力安全都具有重要意义。然而由于对机械通风条件下舰船火灾特性认识的不足，相对于探测和灭火技术而言，舰船烟气控制技术发展保守而缓慢。论证烟气控制的必要性和可行性对于促进舰船烟气控制的发展是十分必要的，同时具有针对性和适用性的舰船火灾烟气控制系统设计方法也亟待建立。
　　本论文针对以上问题，提出了舰船火灾中，不同阶段、不同区域内的烟气控制需求和目标。并通过分析将所提出的烟气控制工程需求转化为“舱室机械通风烟气控制效果”和“复杂走廊区烟气控制方法”两个火灾科学研究问题。设计并搭建了舰船火灾烟气流动与控制全尺寸实验平台，开展了一系列舱室规模和舱段规模的火灾实验，获得了不同机械通风条件下舱室和走廊火灾参数变化规律，提出了舱室和走廊烟气控制系统中关键参数的设计方法。本文实验条件下得到的主要结论如下:
　　1、研究了机械通风口配置对舱室火燃烧参数和火灾环境参数的影响规律，提出了适用于舰船舱室烟气控制的通风口配置形式。相比于无通风工况，机械通风工况中燃料质量损失速率增大。机械通风条件下，单风口工况燃料质量损失速率低于双风口工况。燃料质量损失速率随着送风口的升高会出现突然降低的转折，本研究中转折工况对应的送风口高度在单风口条件下为0.43H,双风口条件下为0.76H（H为舱室高度）。在机械通风强化燃烧增大产热与排出烟气冷却舱室的共同作用下，单风口工况中舱室温度低于无通风工况，即舱室热危害性减小;而双风口送风则会形成高于无通风工况的舱室温度，恶化舱室热危险性。双风口工况中舱室温度随送风口呈现先升高后降低的趋势，而各单风口工况中舱室温度差别较小。通过修正下层温度，改进了舱室三层温度分布模型的热分层高度计算方法。利用舱内氧气实验数据，计算得到烟气层稳定性参数ψ=（Y∞-Yl）/（Y∞-Yu）。舱室热分层高度和烟气层稳定性参数计算结果表明，减少开启的送风口数目和增大送风口高度均会导致舱内烟气层高度下降，稳定性降低。根据舰船舱室烟气控制目标及消防人员对火灾产物的耐受性，采用温度作为舱室烟控效果的主要评价参数。根据不同通风口配置工况实验结果的综合分析，适用于舰船舱室烟气控制的通风口配置形式为:单风口局部送风，且送风口高度应低于0.26H。
　　2、在适用于烟气控制的通风口配置条件下，研究了机械通风量对舱室火燃烧参数及火灾环境参数的影响规律。分析并建立了不同烟气分布假设条件下的舱室温度计算方法。机械通风舱室火灾燃料质量损失速率随通风量呈先升高后降低的趋势，本研究中趋势发生改变的临界工况所对应通风量为40ACPH（每小时换气次数）。根据氧耗法及氧气守恒方程计算得到舱室火热释放速率与燃烧效率，各工况中燃烧效率与火源附近氧气浓度具有较好的正比例关系，热释放速率与质量损失速率变化趋势基本一致。在机械通风对舱室产热和散热的综合作用下，舱室平均温度随机械通风量呈先升高后降低的趋势，临界工况所对应的通风量为20-30ACPH。根据各工况中烟气层稳定性参数ψ，在实验通风口配置条件下，通风量增大有利于舱内稳定烟气层的形成。在本研究中，烟气层稳定性参数与考虑机械通风速率、火源尺寸和舱室尺寸所建立的无量纲量ω=(V)/√gD(l)2具有相关性，当ω＞0.014时，ψ＜0.5，即舱内形成了较稳定的烟气分层。在烟气分层工况中，舱室烟气层稳定性参数ψ随参数ω=(V)/gD(l)2呈线性减小。建立了烟气分层假设条件下机械通风舱室温度计算方法，并在计算中考虑了机械通风工况中，气流对舱内气体分层不可忽略的扰动作用，引入了舱室上下层气体交换质量流率(m)trans。计算结果表明，根据烟气分层假设计算得到的舱室温度高于基于机械通风舱室火灾参数分析中经典的烟气均匀假设得到计算结果。通过与实验结果对比，本文基于舱室烟气分层建立的温度计算方法适用于ω＞0.014的工况，即根据烟气稳定性参数判定得到的舱室烟气分层工况，而对于实验中ω＜0.014工况中温度的计算，经典的舱室烟气均匀计算模型更为适用。在舰船烟气控制通风量设计时，设计通风量应首先满足ω＞0.014，进而根据设定的舱室烟气控制可接受温度判据，采用基于烟气分层假设的温度计算方法进行计算。
　　3、研究了烟气在双层连通走廊区域的流动特性，建立了复杂走廊区域烟气温度计算模型。通过舰船双层连通走廊烟气流动特性全尺寸实验，获得了舰船复杂走廊内温度、梯口速度等典型火灾参数变化规律。当火源位于下层甲板火源舱时，烟气很快通过梯口蔓延至上层甲板走廊，并在该区域内形成高于起火甲板层走廊的火灾危险性（以走廊下部温度和热分层高度为判据）。当火源位于上层一甲板火源舱时，烟气在起火层甲板走廊内充填很快，但不会逆浮力方向通过梯口流入下层甲板走廊区域。建立了烟气流经走廊内水平开口、竖直开口、转弯及岔口结构处温度计算方法。在走廊开口结构处，将开口溢流转化为虚点源位于开口下方的竖直羽流，并利用经典点源羽流模型，建立溢流温度与流入区域顶棚处温度计算关系;在走廊转弯和岔口结构中，基于走廊烟气温度指数衰减模型，计算得到烟气流经转弯和岔口结构后温度衰减系数与直走廊结构温度衰减系数关系:KRa=0.74Ks，Kf,i=∑W/(2Wi）·Ks。综合以上典型结构处温度分析结果，建立了舰船复杂走廊烟气温度计算模型，并利用全尺寸实验数据进行了验证。结果表明，所建立的温度计算模型对走廊最高温度及火灾中后期烟气温度变化的计算具有很好的准确性，可用于火灾中舰船多层复杂区域走廊内不同位置火灾危险性的快速估测和分析。
　　4、建立了走廊开口处逆向气流防烟临界速度计算模型。开展全尺寸实验揭示了逆向气流在舰船复杂走廊内的控烟效果，并验证了逆向气流防烟临界速度计算模型的准确性。通过计算得到不同工况中走廊开口处逆向气流防烟临界速度。建立了走廊水平和竖直开口处逆向气流临界控烟条件下，表征气流惯性力与烟气浮力之比的弗洛德数Frc=Vc/(2gh△T/T)1/2与火源-开口无量纲距离l*=l/L的关系。结果表明，在走廊水平梯口处，当l*≤3时，Frh,c随l*线性减小:Frh, c=-0.14l*+0.8;当l*＞3时，Frh,c基本维持常数:Frh, c=0.380;在走廊竖直开口处，对于所研究工况，临界弗洛德数基本不受到l*影响:Frv,c=0.365。根据模型舱内走廊区火源及结构参数，采用逆向气流控烟临界弗洛德数计算模型，设计得到全尺寸火灾实验中走廊竖直和水平开口控烟所需的临界风速，进而开展逆向气流控烟效果的全尺寸验证实验。结果表明，在设计临界风速条件下，走廊水平和竖直开口处烟气溢流均能被有效控制。根据舰船复杂走廊烟气温度计算方法与走廊开口处逆向气流控烟临界弗洛德数计算模型，即可在确定火源规模条件下，设计得到舰船复杂走廊区开口处逆向气流控烟所需的临界速度。

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摘要

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表格目录

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 舰船烟气控制需求与目标

1．3 研究现状分析

1．3．1 舰船烟气控制相关规范及要求

1．3．2 船舶烟气控制研究项目

1．3．3 单舱室区域火灾烟气控制研究

1．3．4 走廊区域火灾烟气控制研究

1．4 研究目标与内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．5 章节结构安排

第2章 舰船火灾烟气流动与控制实验系统设计

2．1 引言

2．2 实验舱体搭建

2．3 通风系统设计与优化

2．3．1 走廊内通风系统

2．3．2 舱室内通风系统

2．4 测量系统配置

2．4．1 实验测量系统布置

2．4．2 测量仪器与设备

2．5 实验火源设计

2．5．1 实验配置与工况设计

2．5．2 热释放速率测定与B类替代火源设计

2．6 本章小结

第3章 机械通风口配置对舱室烟气控制效果影响研究

3．1 引言

3．2 实验方法与工况设计

3．3 通风口配置对燃烧参数影响

3．3．1 火焰形态

3．3．2 燃料质量损失速率

3．4 通风口配置对火灾环境参数影响

3．4．1 舱室温升

3．4．2 舱室氧气浓度

3．4．3 舱室热分层高度计算

3．5 舱室烟气控制效果评价参数与通风口配置综合影响

3．5．1 舰船舱室烟气控制效果评估参数分析

3．5．2 通风口配置对火灾参数综合影响分析

3．6 本章小结

第4章 机械通风量对舱室烟气控制效果影响研究

4．1 引言

4．2 实验方法与工况设计

4．3 通风量对燃烧参数影响

4．3．1 燃料质量损失速率

4．3．2 热释放速率与燃烧效率

4．4 通风量对火灾环境参数影响

4．4．1 舱室温升

4．4．2 舱室氧气浓度

4．4．3 舱室热分层高度计算

4．5 通风量对封闭舱火灾综合影响分析

4．5．1 机械通风舱室热平衡分析

4．5．2 机械通风量对舱室火灾参数综合影响

4．6 基于不同烟气分布的机械通风舱室温度计算方法

4．6．1 温度计算方法建立

4．6．2 机械通风舱室温度计算与分析

4．7 本章小结

第5章 舰船双层连通走廊烟气流动特性研究

5．1 引言

5．2 全尺寸双层连通走廊区烟气流动特性研究

5．2．1 火源特性参数分析

5．2．2 双层模拟舱段火灾烟气流动特性

5．3 双层连通走廊区典型结构处烟气流动特性研究

5．3．1 复杂走廊内烟气流动特性

5．3．2 走廊开口结构处烟气流动特性

5．4 复杂走廊烟气温度计算方法的建立与验证

5．5 本章小结

第6章 舰船双层连通走廊逆向气流烟气控制效果研究

6．1 引言

6．2 逆向气流控烟原理与临界速度计算理论

6．3 走廊开口逆向气流控烟及临界速度计算模型建立

6．3．1 走廊水平开口逆向气流控烟l临界速度分析

6．3．2 走廊竖直开口逆向气流控烟临界速度分析

6．4 走廊开口控烟全尺寸实验研究与逆向气流临界速度模型验证

6．4．1 走廊水平梯口逆向气流控烟实验研究

6．4．2 走廊竖直舱门逆向气流控烟实验研究

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 下一阶段工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间论文发表情况