基于Star2CD的某船机舱火灾烟气流动计算与分析

第 23卷第 2期 2009年 4月 江苏科技大学学报 (自然科学版 ) Journal of J iangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition) Vol. 23 No. 2 Ap r. 2009 基于 Star2CD的某船机舱火灾烟气流动计算与分析 苏石川 ,吕全亮 (江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 ,江苏 镇江 212003) 摘 　要 : 为了探究机舱火灾的烟气流动情况 ,减少火灾烟气带来的危害 ,基于 Star2CD平台 ,采用场模拟方法 ,模拟某船舶 机舱火灾发生时的温度场、速度场、压力场及烟气的分布情况 ,结果显示了机舱空间在不同截面和时刻机舱的温度、速度、 压力和烟气的分布 ,在火源正上方的温度、速度、压力和烟气浓度比周围的高 ,压力最高值出现在机舱的顶部 ,机舱上部的 烟气平均浓度、温度明显高于下部的浓度 ,并给出了不同高度的烟气浓度和温度曲线. 根据计算结果和该船现有的消防体 系 ,建议在机舱内安装一套固定灭火系统 ,计算结果符合室内火灾的基本规律. 关键词 : 机舱 ;火灾 ;场模拟 ;烟气 中图分类号 : U698. 4; X951　　　　　文献标志码 : A　　　　　文章编号 : 1673 - 4807 (2009) 02 - 0099 - 05 收稿日期 : 2008 - 08 - 08 作者简介 : 苏石川 (1963—) ,男 ,江苏淮阴人 ,博士 ,教授 ,研究方向为内燃机排放预测与控制. E2mail: jstussc1@163. com Ca lcula tion and ana lysis of smoke movement in vessel′s eng ine room f ire ba sed on Star2CD Su Shichuan, LüQuanliang ( School of Naval A rchitecture and Ocean Engineering, J iangsu University of Science and Technology , Zhenjiang J iangsu 212003, China) Abstract: In order to study smoke movement of the engine room fire and decrease the damage of fire smoke, the paper simulated the distribution of temperature, velocity, p ressure and smoke in vessel′s engine room fire by field simulation based on the Star2CD p latform. The result demonstrates the temperature, velocity, p ressure and the smoke above the fire source is higher than the surrounding. The max p ressure is at the top of engine room. The average smoke density and temperature at the top is higher than these of the below. Moreover, smoke density and temperature curves at different high are drawn. According to the result and the ship fire system, the advice is to install a set of fixed fire extinguisher system. The result is agreeable with the basic rules of indoor fire. Key words: engine room; fire; field simulation; smoke 　　船舶火灾是船舶海难中较常见且危险性较大 的一种事故. 国内对船舶及其机舱火灾方面的研究 主要集中在对船舶火灾事故成因分析及施救 [ 1 - 2 ] , 文献 [ 3 - 4 ]对火灾模型进行了初步尝试 ,分别给 出了一个区域模拟和一个场模拟的算例 , 文献 [ 5 - 6 ]采用区域模拟技术对发生火灾的船舶舱室 及其通道内烟气的蔓延进行了计算机仿真研究 ,目 前对船舶火灾的认识也仍处在宏观和经验阶段 ,对 船舶火灾的研究仍有待于进一步的加强. 在国外船 舶火灾的研究方面 ,文献 [ 7 ]对船舶通道内 (舱室、 走廊和楼梯 )烟气蔓延的过程进行了实验研究 ,并 对温度、压力和烟气蔓延情况作了观察和测量. 文 献 [ 8 ]对船舶舱室内的回燃现象进行了全尺寸的 实验研究 ,结果得到了影响回燃的主控参数 ———空 气中含燃料的质量分数. 文献 [ 9 ]建立了一个船舶 舱室内轰燃后向相邻舱室空间传热的模型 ,其中高 温壁面的温度由实验结果给出 ,并把计算得到的冷 房间内的气温和壁面温度与实验结果进行了比较 , 得到相吻合的结论. 文献 [ 10 ]讨论了船上垃圾存 放室的致火与施救问题 ,且进行了部分相关实验. 文献 [ 11 ]运用区域模拟进行了船舶火灾数值 计算. 文中以 Star2CD软件为平台 ,采用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 k2ε模型 对船舶机舱内火灾引发的烟气流动进行场模拟. 在 对船舶火灾的计算机模拟中 ,大部分是采用区域模 拟技术对封闭舱室进行的 ,很少采用场模拟技术 ,本 100　　 江苏科技大学学报 (自然科学版 ) 第 23卷 文针对船舶的动力源—机舱进行的三维场模拟 ,可 以直观地观察到各点的温度、速度、压力、烟气等参 数 ,给出了在实验中难以观察到的参数分布图. 1　数学模型 场模拟描述流场的主要物理量有温度、浓度、 速度和压力. 求解各物理量的基本方程可以用式 (1)的通用形式来表示 [ 12 ]55t (ρ< ) + div (ρu< ) = div (Γgrad< ) + S< (1) 式中 ,分别为时间项、对流项、扩散项和源项 ; <为 通用变量 ;Γ为扩散系数. 2　机舱模型的建立及网格划分 对某拖轮船舶机舱进行模拟 ,机舱几何参数如 图 1. 该机舱为双机双桨式机舱 ,机舱主机、主机的 排管、2台发电机等设备按照实际大小尺寸进行设 置 (主机 2. 695 m ×0. 87 m ×1. 96 m,辅机 2. 95 m ×0. 615 m ×1. 13 m ) ,外形简化为简单几何形状 , 其余设备忽略. 机舱被甲板分为上下两层各 2. 5 m 高 , 2个舱门 (1. 55 m ×0. 7 m )位于上层 ,设备向机 舱散热简化为固定热流量. 机舱有 2个 CZ280b风 机对机舱供风 ,有 2个通风道. 图 1　机舱模型及尺寸 (俯视图 ,单位 :mm ) F ig. 1　Eng ine room m odel and sizes( top v iew) 用三维建模软件 UG建立机舱实体模型 ,在 Pro2am建立机舱网格 ,如图 2 (共 467 104个网格 ). 图 2　机舱网格 F ig. 2　Eng ine room gr id 3　初始条件和边界条件确定 文中着重研究初期火灾烟气的流场规律 ,进行 了如下假设 [ 13 ] : ①将燃烧着的火源处理为热源和 烟气源 ; ②机舱空气为不可压缩且符合 Boussinesq 假设 ; ③不计烟气可压缩性 ,烟气和空气热物理性 质相同. 3. 1　火源的处理说明 为方便研究将火源处理成体积热源 ,放置在两 主机之间 ,如图 1所示. 根据文献 [ 14 ]取火源尺寸 为 1 m ×1 m,火源释热速率取 600 kW. 火源不断 地向周围释放热量和产生烟 ,产烟量根据文献 [ 15 ] ,取值为 0. 756 kg/ s,火源处烟气浓度假定为 常数 1. 机舱各机械设备简化为固定热流量的热源 , 热流量的值按照文献 [ 16 ]来计算 :主机 71 kW ,辅机 24 kW ,排烟管 12 kW. 3. 2　边界条件 机舱壁面的速度分量 u, v, w 采用无滑移边界 条件 ,且假定壁面为绝热壁面. 入口采用速度入口 边界条件. 对于入口边界上湍流功能 k和湍流耗散 率ε的确定 ,采用文献 [ 17 ]推荐的计算方法 k = 32 ( u I) 2 　ε= C3 /4μ k 3 /2 L 式中 , u为入口处来流的平均速度 , I为湍流强度 , L 为入口边界的当量水力直径特征尺寸 , Cμ为经验 系数. 出口采用压力出口边界条件 ,出口压力与外界 环境大气压力相等. 初始时刻机舱内平均温度取 45℃,烟气浓度为 0. 4　计算结果与分析 通过计算获得机舱内温度、速度、压力和烟气 的空间分布. 图 3表示高为 1. 6 m (人眼的特征高 度位置 ) [ 15 ] ,烟气浓度在 60, 200, 360 s内的分布状 况. 由图 3可以看出 ,在火源中心的烟气浓度明显 比周围高 ,随着时间的变化 ,烟气到达顶棚后 ,烟气 沿壁面向下发展 ,周围的烟气浓度逐渐增大 ,但烟 气的最高浓度在 200 s后开始下降 ,从 200 s时的 0. 75减小到 360 s时的 0. 6,这是由于空气的进入 使烟气不断扩散 ,最终使中心点的浓度下降 ,周围 的浓度增大. 　　图 4为 BC剖面的温度分布 ,从烟气浓度和温 度的分布图可以看出 ,两者所预测的烟气流动具有 相同的总体趋势 ,并具有明显的分层特点. 除火源 处外 ,烟气层的最高温度和最高浓度出现在火源正 第 2期 苏石川 ,等 : 基于 Star2CD的某船机舱火灾烟气流动计算与分析 101　　 a) t = 60 s 　 b) t = 200 s 　 c) t = 360 s 图 3　机舱 z = 1. 6 m截面烟气浓度变化过程 F ig. 3　Sm oke den sity a t z = 1. 6 m plane 上方的机舱顶壁附近 ,这是由于火源产生的高温烟 气受浮力作用在机舱顶壁附近不断积聚所造成的. 图 5为 360 s时 B C剖面的压力分布 ,可以看 出压力分布也是分层的 ,自下而上逐渐增大 ,压 力最大值出现在火源正上方 ,最大值为 13 Pa,这 是由于烟气受浮力作用不断上升聚集引起的 . 由 于上部空间压力为正值 ,下部空间压力为负值 , 最小值达到了 - 9 Pa,这就引起了热烟气从舱门 的上部流出机舱 ,同时外界新鲜空气从舱门下部 流入机舱内 . a) t = 200 s 　 b) t = 360 s 图 4　机舱 BC剖面的温度分布 F ig. 4　D istr ibution of tem pera ture a t BC plane 　 　图 5　360 s机舱 BC剖面的压力分布 F ig. 5　D istr ibution of pressure a t BC plane w ith 360 s 　　图 6表示 t = 200 s时不同部位的速度矢量图 , 从图中可以看出舱内烟气流动的几个特点 : ①在 火源上方的两侧存在漩涡 ,这是烟气卷吸空气的结 果 ,到达顶壁后 ,有明显的顶棚射流现象 ; ②由于 两端舱门处于开启状态 ,可以看到当烟气层下降到 舱门上沿时 ,热烟气将向室外流出 ,出流速度显著 增大 ;同时在门的下方将有外界空气流入机舱内 , 不断为火源的燃烧提供充足的氧气. a) BC剖面 　 b) 舱门中间 　 c) 顶棚 图 6　速度矢量图 F ig. 6　D istr ibution of veloc ity vector 　　为了详细地了解机舱内温度和烟气的分布情 况 ,图 7, 8给出了 BC剖面距离火源不同距离处 ( l)、 高度分别为 1. 6 m和甲板以上 2 m位置 ,在 60, 200, 360 s时烟气浓度 (C)和温度 ( T)变化的曲线 ,从曲 线可以看出 ,烟气浓度和温度变化具有相同的趋势. 甲板以上 2 m烟气浓度都在 0. 2以上 ,温度在 440 K 以上 ,较甲板以下高 ,这是高温烟气不断在舱顶聚焦 的结果 ;在甲板以上 2 m处 , 360 s时温度和烟气在 来自通风道和舱门下部的空气作用下趋于稳定 ,波 动不大 ,温度和烟气浓度较 60 s和 200 s低. 102　　 江苏科技大学学报 (自然科学版 ) 第 23卷 a) 烟气浓度曲线 　　　　 b) 温度曲线 图 7　在 z = 1. 6 m高度烟气浓度和温度曲线 F ig. 7　Sm oke den sity and tem pera ture curve a t z = 1. 6 m a) 烟气浓度曲线 　　　　 b) 温度曲线 图 8　在甲板以上 2 m高度烟气浓度和温度曲线 F ig. 8　Sm oke den sity and tem pera ture curves above deck 2 m 　　本机舱仅带有 4个二氧化碳灭火器和 3个干 粉灭火器和 2个消防栓 ,根据 SOLAS公约第 Ⅱ22 章第 7节的要求 ,建议机舱安装一套固定灭火系 统 ,并连接一自动控制系统 [ 18 ] ,通过感温探测器和 感烟探测器探测到火灾 ,自动开启灭火装置进行 灭火. 5　结论 1) 机舱发生火灾时 ,温度、速度和压力等物理 量以火源为轴呈对称分布 ,并有明显的分层现象 ; 上层的平均温度、压力明显高于下部空间的平均温 度、压力. 2) 烟气的浓度与温度具有相同的分布特点 , 除火源处外 ,烟气最高浓度、温度和压强出现在火 源正上方的机舱顶壁附近. 3) 文中计算结果符合火灾发展的基本规律 , 节省了试验的成本 ,模拟结果为机舱火灾烟气控 制、防排烟设计、受灾人员疏散及火灾扑救提供了 一定的理论指导. 参考文献 ( References) [ 1 ] 季军 ,于希斌. 船舶机舱火灾成因分析及对策 [ J ]. 世 界海运 , 2005, 28 (4) : 19 - 21. J i Jun, Yu Xibin. Causes analysis and counter measures on vessel′s engine room fire [ J ]. W orld Sh ipping, 2005, 28 (4) : 19 - 21. ( in Chinese) [ 2 ] 张春来 , 吴兆麟. 机舱火灾事故中人为因素的研究 [ J ]. 大连海事大学学报 :自然科学版 , 1999, 25 ( 2) : 45 - 48. Zhang Chunlai, W u Zhaolin. A research on human ele2 ment in fire accident in the engine2room [ J ]. Journa l of D alian M aritim e U niversity: N atura l Science Edition, 1999, 25 (2) : 45 - 48. ( in Chinese) [ 3 ] 董华 ,范维澄. 船舶密闭舱室火灾过程及其模拟计算 [ J ]. 计算力学学报 , 1998, 15 (1) : 80 - 85. Dong Hua, Fan W eicheng. Ship sealed cabin fire p rocess and its numerical simulation [ J ]. Chinese Journal of Com putationa l M echan ics, 1998, 15 ( 1 ) : 80 - 85. ( in Chinese) [ 4 ] 董华 , 刘忠 , 张人杰 ,等. 舰船火灾中烟气沿通道蔓延 特征的计算机模拟 [ J ]. 火灾科学 , 1995, 4 ( 2 ) : 52 - 56. Dong Hua, L iu Zhong, Zhang Renjie, et al. A computer simulation of smoke sp read along a long2distance corridor in marine fires [ J ]. F ire Safety Science, 1995, 4 ( 2 ) : 52 - 56. ( in Chinese) 第 2期 苏石川 ,等 : 基于 Star2CD的某船机舱火灾烟气流动计算与分析 103　　 [ 5 ] 杨志青 ,王志国 ,仲晨华 ,等.舰船密闭舱室火灾模拟及 防火设计 [ J ]. 舰船科学技术 , 2004, 26 (4) : 57 - 59. Yang Zhiqing, W ang Zhiguo, Zhong Chenhua, et al. Fire simulating and firep roofing design of warship sealed cabin [ J ]. Sh ip Science and Technology, 2004, 26 ( 4 ) : 57 - 59. ( in Chinese) [ 6 ] 冯明初 , 仲晨华 , 杨志青. 舰船火灾区域模拟及烟气 成分分析 [ J ]. 船海工程 , 2003 (5) : 42 - 45. FengM ingchu, Zhong Chenhua, Yang Zhiqing. Study of combustion and species concentrations using a zone fire model in a ship cabin [ J ]. Ship & O cean Engineering, 2003 (5) : 42 - 45. ( in Chinese) [ 7 ] Yoshida K. Full2scale model tests of smoke movement in ship passenger accommodations [ R ]. ASTM Special Technical Publication No. 1336. USA: American Society for Testing and Materials, 1998: 163 - 171. [ 8 ] Gottuk D T, PeatrossM J, Farley J P, et al. The devel2 opment and m itigation of back draft: a real2scale ship board study [ J ]. Fire Safety Journal, 1999 (33) : 261 - 282. [ 9 ] W hite D A, Beyler C L, Scheffey J L , et al. Modeling the impact of post2flashover shipboard fires on adjacent spaces [ J ]. Journal of F ire Protection Engineering, 2003 ( 4) : 2 - 18. [ 10 ] Ndubizu C C, B rown R A, Tatem P A, et al. Fire haz2 ard assessment in submarine p lastic waste stowage com2 partments[ J ]. Society for the A dvancem ent of M aterial and P rocess Engineering Journa l, 2003 (4) : 42 - 48. [ 11 ] Copper L Y . Calculating combined buoyancy and p res2 sure2driven flow through a shallow horizontal circular vent: app lication to a p roblem of steady burning in a ceiling2vented enclosure[ J ]. Fire Safety Journa l, 2000 (27) : 23 - 35. [ 12 ] 李兆文 , 何嘉鹏 , 彭红圃. 单一空间火灾三维场模拟 [ J ]. 消防科学与技术 , 2005, 24 (1) : 22 - 25. L i Zhaowen, He J iapeng, Peng Hongpu. Field simulation of three dimensional enclosure fire [ J ]. Fire Science and Technology, 2005, 24 (1) : 22 - 25. ( in Chinese) [ 13 ] 刘方. 中庭火灾烟气流动与烟气控制研究 [D ]. 重庆 大学 , 2002: 57 - 60. [ 14 ] 钟委 ,霍然 ,史聪灵. 热释放速率设定方式的几点讨论 [ J ]. 自然灾害学报 , 2004, 13 (2) : 64 - 69. Zhong W ei, Huo Ran, Shi Congling. Some discussion on methodology to design heat release rate [ J ]. Journa l of N atura l D isasters, 2004, 13 (2) : 64 - 69. ( in Chinese) [ 15 ] 霍然 ,袁宏永. 性能化建筑防火分析与设计 [M ]. 合 肥 :安徽科学技术出版社 , 2002. [ 16 ] 中国船舶工业总公司. CB /T 377221996　柴油机船舶 机舱通风设计条件和计算基准 [ S ]. 北京 :中国标准 出版社 , 1997. [ 17 ] 陶文铨. 数值传热学 [M ]. 2版. 西安交通大学出版 社 , 2001. [ 18 ] 宗阳 ,王建华 ,刘维亭 . 基于无线以太网的船舶机舱 自动化监控系统的设计 [ J ]. 华东船舶工业学院学 报 :自然科学版 , 2004, 18 (1) : 27 - 31 . Zong Yang, W ang J ianhua, L iu W eiting. Design of the automatic management of ship′s engine room based on the ethernet [ J ]. Journa l of East China Sh ipbuild ing In2 stitu te: N atura l Science Edition, 2004, 18 ( 1) : 27 - 31. ( in Chinese) (责任编辑 :顾 　琳 )