本文關(guān)鍵詞：艦船典型區(qū)域火災(zāi)煙氣流動(dòng)特性與控制方法研究

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【摘要】：火災(zāi)是船舶安全的重大威脅之一,火災(zāi)中煙氣的有效控制對(duì)于保障艦船火災(zāi)安全乃至生命力安全都具有重要意義。然而由于對(duì)機(jī)械通風(fēng)條件下艦船火災(zāi)特性認(rèn)識(shí)的不足,相對(duì)于探測(cè)和滅火技術(shù)而言,艦船煙氣控制技術(shù)發(fā)展保守而緩慢。論證煙氣控制的必要性和可行性對(duì)于促進(jìn)艦船煙氣控制的發(fā)展是十分必要的,同時(shí)具有針對(duì)性和適用性的艦船火災(zāi)煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法也亟待建立。本論文針對(duì)以上問(wèn)題,提出了艦船火災(zāi)中,不同階段、不同區(qū)域內(nèi)的煙氣控制需求和目標(biāo)。并通過(guò)分析將所提出的煙氣控制工程需求轉(zhuǎn)化為“艙室機(jī)械通風(fēng)煙氣控制效果”和“復(fù)雜走廊區(qū)煙氣控制方法”兩個(gè)火災(zāi)科學(xué)研究問(wèn)題。設(shè)計(jì)并搭建了艦船火災(zāi)煙氣流動(dòng)與控制全尺寸實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展了一系列艙室規(guī)模和艙段規(guī)模的火災(zāi)實(shí)驗(yàn),獲得了不同機(jī)械通風(fēng)條件下艙室和走廊火災(zāi)參數(shù)變化規(guī)律,提出了艙室和走廊煙氣控制系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。本文實(shí)驗(yàn)條件下得到的主要結(jié)論如下：1、研究了機(jī)械通風(fēng)口配置對(duì)艙室火燃燒參數(shù)和火災(zāi)環(huán)境參數(shù)的影響規(guī)律,提出了適用于艦船艙室煙氣控制的通風(fēng)口配置形式。相比于無(wú)通風(fēng)工況,機(jī)械通風(fēng)工況中燃料質(zhì)量損失速率增大。機(jī)械通風(fēng)條件下,單風(fēng)口工況燃料質(zhì)量損失速率低于雙風(fēng)口工況。燃料質(zhì)量損失速率隨著送風(fēng)口的升高會(huì)出現(xiàn)突然降低的轉(zhuǎn)折,本研究中轉(zhuǎn)折工況對(duì)應(yīng)的送風(fēng)口高度在單風(fēng)口條件下為0.43H,雙風(fēng)口條件下為0.76H(H為艙室高度)。在機(jī)械通風(fēng)強(qiáng)化燃燒增大產(chǎn)熱與排出煙氣冷卻艙室的共同作用下,單風(fēng)口工況中艙室溫度低于無(wú)通風(fēng)工況,即艙室熱危害性減小：而雙風(fēng)口送風(fēng)則會(huì)形成高于無(wú)通風(fēng)工況的艙室溫度,惡化艙室熱危險(xiǎn)性。雙風(fēng)口工況中艙室溫度隨送風(fēng)口呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),而各單風(fēng)口工況中艙室溫度差別較小。通過(guò)修正下層溫度,改進(jìn)了艙室三層溫度分布模型的熱分層高度計(jì)算方法。利用艙內(nèi)氧氣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算得到煙氣層穩(wěn)定性參數(shù)Ψ=(Y∞-Yl)/(Y∞-Yu)。艙室熱分層高度和煙氣層穩(wěn)定性參數(shù)計(jì)算結(jié)果表明,減少開(kāi)啟的送風(fēng)口數(shù)目和增大送風(fēng)口高度均會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)煙氣層高度下降,穩(wěn)定性降低。根據(jù)艦船艙室煙氣控制目標(biāo)及消防人員對(duì)火災(zāi)產(chǎn)物的耐受性,采用溫度作為艙室煙控效果的主要評(píng)價(jià)參數(shù)。根據(jù)不同通風(fēng)口配置工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合分析,適用于艦船艙室煙氣控制的通風(fēng)口配置形式為：?jiǎn)物L(fēng)口局部送風(fēng),且送風(fēng)口高度應(yīng)低于0.26H。2、在適用于煙氣控制的通風(fēng)口配置條件下,研究了機(jī)械通風(fēng)量對(duì)艙室火燃燒參數(shù)及火災(zāi)環(huán)境參數(shù)的影響規(guī)律.分析并建立了不同煙氣分布假設(shè)條件下的艙室溫度計(jì)算方法。機(jī)械通風(fēng)艙室火災(zāi)燃料質(zhì)量損失速率隨通風(fēng)量呈先升高后降低的趨勢(shì),本研究中趨勢(shì)發(fā)生改變的臨界工況所對(duì)應(yīng)通風(fēng)量為40ACPH(每小時(shí)換氣次數(shù))。根據(jù)氧耗法及氧氣守恒方程計(jì)算得到艙室火熱釋放速率與燃燒效率,各工況中燃燒效率與火源附近氧氣濃度具有較好的正比例關(guān)系,熱釋放速率與質(zhì)量損失速率變化趨勢(shì)基本一致。在機(jī)械通風(fēng)對(duì)艙室產(chǎn)熱和散熱的綜合作用下,艙室平均溫度隨機(jī)械通風(fēng)量呈先升高后降低的趨勢(shì),臨界工況所對(duì)應(yīng)的通風(fēng)量為20-30ACPH。根據(jù)各工況中煙氣層穩(wěn)定性參數(shù)ψ,在實(shí)驗(yàn)通風(fēng)口配置條件下,通風(fēng)量增大有利于艙內(nèi)穩(wěn)定煙氣層的形成。在本研究中,煙氣層穩(wěn)定性參數(shù)與考慮機(jī)械通風(fēng)速率、火源尺寸和艙室尺寸所建立的無(wú)量綱量ψ=I/(?)gDl2具有相關(guān)性,當(dāng)w0.014時(shí),ψ0.5,即艙內(nèi)形成了較穩(wěn)定的煙氣分層。在煙氣分層工況中,艙室煙氣層穩(wěn)定性參數(shù)ψ隨參數(shù)ψ=I/(?)gDl2呈線性減小。建立了煙氣分層假設(shè)條件下機(jī)械通風(fēng)艙室溫度計(jì)算方法,并在計(jì)算中考慮了機(jī)械通風(fēng)工況中,氣流對(duì)艙內(nèi)氣體分層不可忽略的擾動(dòng)作用,引入了艙室上下層氣體交換質(zhì)量流率mtrans。計(jì)算結(jié)果表明,根據(jù)煙氣分層假設(shè)計(jì)算得到的艙室溫度高于基于機(jī)械通風(fēng)艙室火災(zāi)參數(shù)分析中經(jīng)典的煙氣均勻假設(shè)得到計(jì)算結(jié)果。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,本文基于艙室煙氣分層建立的溫度計(jì)算方法適用于co0.014的工況,即根據(jù)煙氣穩(wěn)定性參數(shù)判定得到的艙室煙氣分層工況,而對(duì)于實(shí)驗(yàn)中co0.014工況中溫度的計(jì)算,經(jīng)典的艙室煙氣均勻計(jì)算模型更為適用。在艦船煙氣控制通風(fēng)量設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)通風(fēng)量應(yīng)首先滿足co0.01 4,進(jìn)而根據(jù)設(shè)定的艙室煙氣控制可接受溫度判據(jù),采用基于煙氣分層假設(shè)的溫度計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。3、研究了煙氣在雙層連通走廊區(qū)域的流動(dòng)特性,建立了復(fù)雜走廊區(qū)域煙氣溫度計(jì)算模型。通過(guò)艦船雙層連通走廊煙氣流動(dòng)特性全尺寸實(shí)驗(yàn),獲得了艦船復(fù)雜走廊內(nèi)溫度、梯口速度等典型火災(zāi)參數(shù)變化規(guī)律。當(dāng)火源位于下層甲板火源艙時(shí),煙氣很快通過(guò)梯口蔓延至上層甲板走廊,并在該區(qū)域內(nèi)形成高于起火甲板層走廊的火災(zāi)危險(xiǎn)性(以走廊下部溫度和熱分層高度為判據(jù))。當(dāng)火源位于上層一甲板火源艙時(shí),煙氣在起火層甲板走廊內(nèi)充填很快,但不會(huì)逆浮力方向通過(guò)梯口流入下層甲板走廊區(qū)域。建立了煙氣流經(jīng)走廊內(nèi)水平開(kāi)口、豎直開(kāi)口、轉(zhuǎn)彎及岔口結(jié)構(gòu)處溫度計(jì)算方法。在走廊開(kāi)口結(jié)構(gòu)處,將開(kāi)口溢流轉(zhuǎn)化為虛點(diǎn)源位于開(kāi)口下方的豎直羽流,并利用經(jīng)典點(diǎn)源羽流模型,建立溢流溫度與流入?yún)^(qū)域頂棚處溫度計(jì)算關(guān)系；在走廊轉(zhuǎn)彎和岔口結(jié)構(gòu)中,基于走廊煙氣溫度指數(shù)衰減模型,計(jì)算得到煙氣流經(jīng)轉(zhuǎn)彎和岔口結(jié)構(gòu)后溫度衰減系數(shù)與直走廊結(jié)構(gòu)溫度衰減系數(shù)關(guān)系：KRa=0.74Ks,Kf,i=∑W/(2Wi)·Ks。綜合以上典型結(jié)構(gòu)處溫度分析結(jié)果,建立了艦船復(fù)雜走廊煙氣溫度計(jì)算模型,并利用全尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,所建立的溫度計(jì)算模型對(duì)走廊最高溫度及火災(zāi)中后期煙氣溫度變化的計(jì)算具有很好的準(zhǔn)確性,可用于火災(zāi)中艦船多層復(fù)雜區(qū)域走廊內(nèi)不同位置火災(zāi)危險(xiǎn)性的快速估測(cè)和分析。4、建立了走廊開(kāi)口處逆向氣流防煙臨界速度計(jì)算模型。開(kāi)展全尺寸實(shí)驗(yàn)揭示了逆向氣流在艦船復(fù)雜走廊內(nèi)的控?zé)熜Ч?并驗(yàn)證了逆向氣流防煙臨界速度計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)計(jì)算得到不同工況中走廊開(kāi)口處逆向氣流防煙臨界速度。建立了走廊水平和豎直開(kāi)口處逆向氣流臨界控?zé)煑l件下,表征氣流慣性力與煙氣浮力之比的弗洛德數(shù)Frc=Vc/(2gh△T/T)1/2與火源-開(kāi)口無(wú)量綱距離l*=l/L的關(guān)系。結(jié)果表明,在走廊水平梯口處,當(dāng)l*≤3時(shí),Frh,c隨l*線性減�。篎rh,c=-0.14l*+0.8;當(dāng)l*3時(shí),Frh,c基本維持常數(shù)：Frh,c=0.380;在走廊豎直開(kāi)口處,對(duì)于所研究工況,臨界弗洛德數(shù)基本不受到l*影響：Frv,c=0.365。根據(jù)模型艙內(nèi)走廊區(qū)火源及結(jié)構(gòu)參數(shù),采用逆向氣流控?zé)熍R界弗洛德數(shù)計(jì)算模型,設(shè)計(jì)得到全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中走廊豎直和水平開(kāi)口控?zé)熕璧呐R界風(fēng)速,進(jìn)而開(kāi)展逆向氣流控?zé)熜Ч娜叽珧?yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,在設(shè)計(jì)臨界風(fēng)速條件下,走廊水平和豎直開(kāi)口處煙氣溢流均能被有效控制。根據(jù)艦船復(fù)雜走廊煙氣溫度計(jì)算方法與走廊開(kāi)口處逆向氣流控?zé)熍R界弗洛德數(shù)計(jì)算模型,即可在確定火源規(guī)模條件下,設(shè)計(jì)得到艦船復(fù)雜走廊區(qū)開(kāi)口處逆向氣流控?zé)熕璧呐R界速度。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U674.70
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本文編號(hào)：1242579