船舶舱室火灾轰燃现象的数值重构(附件)【字数：11827】
船舶火灾作为主要船舶事故类型具有极大危害性，而轰燃是舱室火灾中特有的现象。轰燃产生的原因是由于火焰燃烧放出的热量不断累积造成的。当火灾发展到一定程度时，室内所有可燃物温度急剧升高，并随之燃烧，此时轰燃便出现了。目前，多数学者都是从室内温度，壁面热通量以及可燃物的燃烧速率这三方面对轰燃发生的临界条件进行论述。本文主要针对某船舶舱室，基于FDS火灾动力学软件对其火灾发展过程中的轰燃现象进行了数值模拟研究。分析了火源处和通风口处的温度变化情况以及平均热释放率。模拟结果表明（1）在200s时，舱室内温度已达到人体无法忍受的极限值，200s至300s间，室内温度会快速攀升，并认为人员应在120s前撤离。（2）在火灾发展至460s时，船舶舱室内温度升高到630℃，此时发生了轰燃现象，燃料的热释放率以及辐射热通量均在短时间内迅速增大，使得温度在20s内激增至900℃。（3）在轰燃过后的130s内，舱室内火焰因缺氧而移至通风口处，致使舱室内部温度有所下降，但因火羽流卷入了一定量氧气，又使得火焰重新回到舱室内部，并逐渐稳定。本文的研究结果对船舶防火设计、火灾评估以及救灾方案的制定有着重要意义，同时也为船舶防火规范的修订提供了参考。关键字船舶舱室火灾；轰燃现象；数值模拟
目录
第1章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 研究现状与发展趋势 2
1.2.1 国外方面 2
1.2.2 国内方面 2
1.3 相关软件发展 3
1.4 研究内容与研究方法 5
第2章 数学模型 6
2.1 状态方程 6
2.2 简化动量方程 7
2.2.1 CFL条件 8
2.3 辐射传递方程 9
2.3.1 辐射源 9
2.3.2辐射热通量 10
2.4 本章小结 10
第3章 轰燃现象的突变行为 11
3.1 突变理论 11
3.2 突变火灾学 11
3.3 轰燃现象 12
3.4 本章小结 13
第4章 船舶舱室模型的建立 14
4.1 船舶舱室模型的选取 14< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
br /> 4.2 船舶舱室模型的简化 15
4.3 计算区域网格划分 16
4.4 建立物理模型 16
4.5 边界及处值设定 17
4.6 本章小结 18
第5章 结果与分析 19
5.1 轰燃发生的临界条件 19
5.2 轰燃现象 20
5.3温度场 21
5.4 热释放率 29
5.5 混合质量分数 30
5.6 本章小结 32
结论 34
致谢 36
参考文献 35
第1章 绪论
1.1 研究目的及意义
在经济全球化日益凸显的今天，国际间的贸易往来愈加频繁。海上运输成了沟通不同地区国家间经贸往来的重要物流渠道。由此引起的船舶数量的激增，使得航运事故的发生更加频繁。其中，船舶火灾是主要的事故种类。而船舶大都载油量较大，且可燃物集中，人员和货物难以疏通，提升了火灾的危险等级。国际海事组织的调查统计资料显示，船舶火灾事故大约占各类海事事故总数的11%[1]。由此可以看出，船舶火灾是极易发生的，而火灾事故一旦发生，将造成大量人员伤亡和巨额财产损失，极有可能造成整条船舶的损毁。这些事故严重的影响了海上航运事业的发展，也威胁到了广大船员的生命财产安全。
船舶舱室火灾的发展状态可以被分为五个阶段，分别是点燃阶段、发展阶段、轰燃阶段、完全发展阶段和衰弱熄灭阶段[1]。在发展阶段，火势较微弱，火灾是局部的、低强度的。而到了轰燃阶段，舱室内的所有燃烧物将会在瞬间一起燃烧。同时，短时间内的不完全燃烧会产生大量的有害气体，并形成局部高温，增大压强，这对船舶结构稳定造成威胁。轰燃现象是火灾由发展阶段迅速进入完全发展阶段的过程，它被认为是船舶舱室火灾发展的高危标志。如若人员未能在轰燃发生之前疏散撤离，将会有生命危险。目前，消防部门对于轰然火灾也并没有行之有效的办法，因此，对船舶舱室火灾轰燃现象的研究十分紧迫。
火灾事故的调查研究十分复杂繁琐，若建立一个与实际尺寸相符的火场要很长时间，并且需要大量的人力物力和资金支持，某些情况下受实际条件的限制，火场重构无法进行。这时就需要计算机模拟软件的帮助。我们运用计算机模拟程序，建立缩小比例的火场模型，同时利用计算机的高速运算能力，就可以在短时间内模拟火灾发生的全过程，得到火灾发展的动力学特征参量。这种方法具有很大优越性，对人力物力消耗少，可以在较少的资金支持下完成火灾仿真，其模拟的结果对火灾事故的调查及船舶消防安全性能设计与评估具有重要的指导意义。
1.2 研究现状与发展趋势
1.2.1 国外方面
美国海军实验室（Naval Research Lab）与国家技术标准局盖瑟斯堡火灾研究中心（National Inst.of Standards and Technology，Gaithersburg,MD .Center for Fire Research）合作，运用FIRST程序对船舶火灾的垂直蔓延进行了模拟计算[2]；美国海军研究院（Naval Postgraduate School）研究了区域模拟程序（CFAST）在船舶火灾分析调查中的应用[3]；很多关于火灾的调查统计显示：火灾造成的危害并不来自火焰自身，而是火灾中形成的高温烟气。Thomas[4]等人对火灾轰燃现象进行了细致分析，建立了包含“热爆炸理论基本原理”的理论框架；Zukoski[5]等、T.L.Craham[6]等分析了火灾轰燃的临界条件，其对受限空间轰燃现象的了解具有理论指导价值；R.Feasey[7]等分析了室内火灾轰燃发生后，有可能对自身建筑结构造成的破坏；M.Luo[8]等把聚氨基甲酸酯作为燃料，进行了实际尺寸的火灾轰燃过程试验，并以此为依据，开发了相应的数值模拟程序；Peacock[9]等人解释了与性能化设计有关的轰燃现象的危险性。
1.2.2 国内方面
王晶晶、吴国强等人[10]以一节地铁车厢为对象，基于突变理论对车厢火灾中出现轰燃现象的条件进行了分析；宗若雯、李松阳等人[10]搭建了两种不同尺寸的试验台，对受限空间中的轰燃现象进行了模拟重构，并利用CFAST软件与FDS软件进行数值模拟，比较了这两种软件模拟结果与实验值的差别；卢平、厉培德等人[1]研究了火灾轰然过程中烟气的产生、运动、回流、下沉等现象的物理机制，并指出了在受限空间发生火灾时抢救过程应注意的问题；河北工业大学的吴晋湘、王春峰等[11]根据实际的火灾场景，建立了简化的物理模型，利用FLUENT进行了室内燃气火灾蔓延规律及气象轰燃现象的研究，指出轰燃出现的时间与受限空间的体积有关；西南交通大学的刘嘉等人[12]对受限空间火灾中通风开口位置高度、通风因子、对流通风开口和强迫风压等因素对轰燃的影响，得出在单面开口的情况下，开口位置越低，越易发生轰燃的结论；江苏科技大学苏石川[13]教授带领其研究生，对船舶火灾中出现的特殊火行为展开了研究，分析了某散货船机舱火灾中的轰燃现象。
1.3 相关软件发展
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第1章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 研究现状与发展趋势 2
1.2.1 国外方面 2
1.2.2 国内方面 2
1.3 相关软件发展 3
1.4 研究内容与研究方法 5
第2章 数学模型 6
2.1 状态方程 6
2.2 简化动量方程 7
2.2.1 CFL条件 8
2.3 辐射传递方程 9
2.3.1 辐射源 9
2.3.2辐射热通量 10
2.4 本章小结 10
第3章 轰燃现象的突变行为 11
3.1 突变理论 11
3.2 突变火灾学 11
3.3 轰燃现象 12
3.4 本章小结 13
第4章 船舶舱室模型的建立 14
4.1 船舶舱室模型的选取 14< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
br /> 4.2 船舶舱室模型的简化 15
4.3 计算区域网格划分 16
4.4 建立物理模型 16
4.5 边界及处值设定 17
4.6 本章小结 18
第5章 结果与分析 19
5.1 轰燃发生的临界条件 19
5.2 轰燃现象 20
5.3温度场 21
5.4 热释放率 29
5.5 混合质量分数 30
5.6 本章小结 32
结论 34
致谢 36
参考文献 35
第1章 绪论
1.1 研究目的及意义
在经济全球化日益凸显的今天，国际间的贸易往来愈加频繁。海上运输成了沟通不同地区国家间经贸往来的重要物流渠道。由此引起的船舶数量的激增，使得航运事故的发生更加频繁。其中，船舶火灾是主要的事故种类。而船舶大都载油量较大，且可燃物集中，人员和货物难以疏通，提升了火灾的危险等级。国际海事组织的调查统计资料显示，船舶火灾事故大约占各类海事事故总数的11%[1]。由此可以看出，船舶火灾是极易发生的，而火灾事故一旦发生，将造成大量人员伤亡和巨额财产损失，极有可能造成整条船舶的损毁。这些事故严重的影响了海上航运事业的发展，也威胁到了广大船员的生命财产安全。
船舶舱室火灾的发展状态可以被分为五个阶段，分别是点燃阶段、发展阶段、轰燃阶段、完全发展阶段和衰弱熄灭阶段[1]。在发展阶段，火势较微弱，火灾是局部的、低强度的。而到了轰燃阶段，舱室内的所有燃烧物将会在瞬间一起燃烧。同时，短时间内的不完全燃烧会产生大量的有害气体，并形成局部高温，增大压强，这对船舶结构稳定造成威胁。轰燃现象是火灾由发展阶段迅速进入完全发展阶段的过程，它被认为是船舶舱室火灾发展的高危标志。如若人员未能在轰燃发生之前疏散撤离，将会有生命危险。目前，消防部门对于轰然火灾也并没有行之有效的办法，因此，对船舶舱室火灾轰燃现象的研究十分紧迫。
火灾事故的调查研究十分复杂繁琐，若建立一个与实际尺寸相符的火场要很长时间，并且需要大量的人力物力和资金支持，某些情况下受实际条件的限制，火场重构无法进行。这时就需要计算机模拟软件的帮助。我们运用计算机模拟程序，建立缩小比例的火场模型，同时利用计算机的高速运算能力，就可以在短时间内模拟火灾发生的全过程，得到火灾发展的动力学特征参量。这种方法具有很大优越性，对人力物力消耗少，可以在较少的资金支持下完成火灾仿真，其模拟的结果对火灾事故的调查及船舶消防安全性能设计与评估具有重要的指导意义。
1.2 研究现状与发展趋势
1.2.1 国外方面
美国海军实验室（Naval Research Lab）与国家技术标准局盖瑟斯堡火灾研究中心（National Inst.of Standards and Technology，Gaithersburg,MD .Center for Fire Research）合作，运用FIRST程序对船舶火灾的垂直蔓延进行了模拟计算[2]；美国海军研究院（Naval Postgraduate School）研究了区域模拟程序（CFAST）在船舶火灾分析调查中的应用[3]；很多关于火灾的调查统计显示：火灾造成的危害并不来自火焰自身，而是火灾中形成的高温烟气。Thomas[4]等人对火灾轰燃现象进行了细致分析，建立了包含“热爆炸理论基本原理”的理论框架；Zukoski[5]等、T.L.Craham[6]等分析了火灾轰燃的临界条件，其对受限空间轰燃现象的了解具有理论指导价值；R.Feasey[7]等分析了室内火灾轰燃发生后，有可能对自身建筑结构造成的破坏；M.Luo[8]等把聚氨基甲酸酯作为燃料，进行了实际尺寸的火灾轰燃过程试验，并以此为依据，开发了相应的数值模拟程序；Peacock[9]等人解释了与性能化设计有关的轰燃现象的危险性。
1.2.2 国内方面
王晶晶、吴国强等人[10]以一节地铁车厢为对象，基于突变理论对车厢火灾中出现轰燃现象的条件进行了分析；宗若雯、李松阳等人[10]搭建了两种不同尺寸的试验台，对受限空间中的轰燃现象进行了模拟重构，并利用CFAST软件与FDS软件进行数值模拟，比较了这两种软件模拟结果与实验值的差别；卢平、厉培德等人[1]研究了火灾轰然过程中烟气的产生、运动、回流、下沉等现象的物理机制，并指出了在受限空间发生火灾时抢救过程应注意的问题；河北工业大学的吴晋湘、王春峰等[11]根据实际的火灾场景，建立了简化的物理模型，利用FLUENT进行了室内燃气火灾蔓延规律及气象轰燃现象的研究，指出轰燃出现的时间与受限空间的体积有关；西南交通大学的刘嘉等人[12]对受限空间火灾中通风开口位置高度、通风因子、对流通风开口和强迫风压等因素对轰燃的影响，得出在单面开口的情况下，开口位置越低，越易发生轰燃的结论；江苏科技大学苏石川[13]教授带领其研究生，对船舶火灾中出现的特殊火行为展开了研究，分析了某散货船机舱火灾中的轰燃现象。
1.3 相关软件发展
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