船舶机舱封闭空间火灾烟气特性characteristicsoffiresmokeinenclosedspaceofshi
摘 要摘 要火灾是不受控制的燃烧，是威胁公共安全主要灾害之一。我国海洋运输业近年来快速发展，使人们对船舶火灾越来越重视。前人对地面受限空间火灾进行了大量研究并建立了相关火灾模型，而船舶机舱封闭空间和地面的受限空间有很大区别，不能简单套用地面模型，所以针对船舶机舱封闭空间火灾的研究是很有意义的。本文以仅在顶棚有开口的船舶封闭机舱为研究对象，采用火灾模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator)，对机舱内火灾烟气进行了数值模拟研究。分别对烟气温度、烟气浓度以及烟气流速的变化进行了分析。研究结果表明 （1）通风口对烟气温度、烟气浓度和烟气流速有很大影响。距离通风口越近，烟气的温度、浓度和流速值就越低。通风口的存在可以提高烟气的峰值流速。（2）烟气的温度和浓度分布场中出现了明显的分层现象。上层烟气温度和浓度值高，下层烟气温度和浓度值低；（3）在水平方向上，除了火源正上方，同高度处的烟气温度和浓度都是均匀分布的。在竖直方向上，除了火源正上方，烟气温度和浓度分布与高度呈线性关系。研究结果对于完善受限空间火灾研究和对封闭机舱火灾的扑救具有重要意义。 关键字船舶火灾；封闭空间；烟气特性；FDS
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 船舶机舱失火原因 1
1.1.2 船舶机舱火灾特点 2
1.1.3 研究目的和意义 3
1.2 船舶机舱火灾研究现状 4
1.2.1 国外方面 4
1.2.2 国内方面 4
1.3 研究方法的选择 5
1.4 本文主要内容 5
第二章 FDS基本模型 6
2.1 FDS控制方程组 6
2.2 大涡数值模拟 7
2.2.1 滤波过程 7
2.2.2 亚格子模型 9
2.3 燃烧模型 10
2.4 热辐射模型 11
2.5火灾模拟软件FDS 12
2.6 本章小结 12
第三章 模型建立 14
3.1机舱结构 14
3.2 网格的划分 15
3.3边界和初值条件的设定 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.3.1 火源的设定 17
3.3.2 通风口的设定 18
3.3.3 初值条件的设定 18
3.4 本章小结 20
第四章 烟气数据分析 21
4.1烟气温度分析 21
4.1.1烟气温度垂直分布 21
4.1.2烟气温度水平分布 25
4.2烟气浓度分析 26
4.2.1混合烟气浓度分析 26
4.2.2 各组分气体浓度分析 31
4.3 速度场分析 32
4.4 本章小结 38
第五章 总结与展望 39
5.1 全文总结 39
5.2 展望 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
据相关文献记载，在已知的船舶失事例子中，因火灾而失事的只占其中总量的11%，但船舶火灾事故所带来的各种损失在所有船舶事故中却是最高的[1]。在上世纪末，英国年均大概要有130起舰船火灾事故，其中机舱失火的概率为50%和电气舱室失火的概率为20%[2]。据统计，21世纪以来我国每年大约有30多起船舶火灾事故，而在机舱处发生火灾的次数大概占了其中的3/4[3]。由此可见，机舱是最容易发生火灾的位置。
1.1.1 船舶机舱失火原因
主机舱和辅机舱二者组成了船舶机舱，其中包含主机、辅机设备、电站和许多管路系统。机舱内部结构、布置错综复杂，其中容易失火的部分主要有：主机、辅机、锅炉、各类排烟管、燃油系统、滑油系统、电力设备、电线电缆[4]等。
船舶机舱的失火缘由一般有以下四点：
电气火灾
机舱中主机、辅机大多都是用电设施，这些用电设施所需的电线、电缆等等经常因为短路、过载、过热、电火花等因素产生火源，进而引起火灾。电气火灾特别容易发生在下面几个方面的情况中：一方面，用电设施出现毛病，再加上工作人员未发现或操作不当,会使用电设备线路出现短路等情况，从而导致线路过载、高温，进而引发火灾。另一方面，用电设备的电线、管路等由于老化、腐蚀等问题出现漏电、短路等问题，从而引起绝缘层的燃烧，进而引燃四周的可燃物体，产生火灾。
设备火灾
这类火灾通常有两方面：一方面，机舱中大多数设备都是高温热源，而高温热源又靠近周围的可燃物体，很容易引燃周围的可燃物如易燃液体，产生火源；另一方面，设备出现故障或者工作异常，又未得到及时修复，那么设备的过热表面也可引燃易燃物，产生火源。
人为失误造成的火灾
工作人员若违规操作，疏忽大意将会引来火灾。比如在驳油过程中，工作人员擅自离开导致油溢出来，一旦接触到高温表面很容易引发火灾；又比如工作人员在热工作时没有找到安全工作位置，导致火花、高温焊渣接触易燃物，也很容易引发火灾。
(4)其他原因引发的火灾
一方面是由于一些自然灾害比如闪电、打雷而引发的火灾；另一方面是有人故意放火，这里不加说明。
1.1.2 船舶机舱火灾特点
因为船舶机舱的位置和功能的重要性，它具备其他舱室所没有的特点：
(1)火势大、难以扑救
机舱内部空间窄小，高温设施众多，可燃物比如燃油、滑油遍布整个舱室，只要一有火源，火焰将会迅速蔓延整个舱室，很难控制火势。难以扑救是所有船舶火灾的特点，一是因为船舶与陆地建筑不同，它是个海上移动平台，一旦发生火灾，只能靠自救。二是由于机舱内部空间狭小、各种设备错综复杂，灭火人员和一些大型消防工具难以到达需要扑救的火灾区域，消防设备施展不开，救援势必会受到极大限制，所以扑救难度很大。
(2)火灾蔓延速度快
一方面，舱室内遍布着大量燃油、滑油等液体，这些液体易燃易爆，只要有一丝火源，便会引发大面积火灾，且火势蔓延迅速。另一方面，机舱中没有用来阻隔火灾的设备，火焰会向周围舱室伸展[5]。此外，舱室中金属构件如钢，导热系数很大，金属热传导快，表面温度很高，会引燃挨着或者靠近金属构件的物体。
(3)火灾发生率高
据统计，机舱、日常生活地方和货舱这三处，最容易发生失火[6]。对于民用船舶，起居舱室是火灾高发地，而对于大型船舶和军用舰船，火灾发生次数最多的是机舱，约占所有船舶火灾事故的3/4左右。机舱作为能量转换的场所，里面结构复杂，有着主机、辅机和燃油等等，在任一部分出了故障都可以引起火灾。
(4)散热困难
封闭舱室和陆地建筑不同，它一般没有门窗开口，仅仅在顶部有开口，平常的通风也大多是通过机械通风帽进行的。发生火灾后，若采取封舱灭火，那么机械通风口也将关闭，这就造成了舱室通风困难，热烟气无法及时有效地排出，导致舱内温度和压力都急剧升高，从而有引起舱室的爆炸。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 船舶机舱失火原因 1
1.1.2 船舶机舱火灾特点 2
1.1.3 研究目的和意义 3
1.2 船舶机舱火灾研究现状 4
1.2.1 国外方面 4
1.2.2 国内方面 4
1.3 研究方法的选择 5
1.4 本文主要内容 5
第二章 FDS基本模型 6
2.1 FDS控制方程组 6
2.2 大涡数值模拟 7
2.2.1 滤波过程 7
2.2.2 亚格子模型 9
2.3 燃烧模型 10
2.4 热辐射模型 11
2.5火灾模拟软件FDS 12
2.6 本章小结 12
第三章 模型建立 14
3.1机舱结构 14
3.2 网格的划分 15
3.3边界和初值条件的设定 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.3.1 火源的设定 17
3.3.2 通风口的设定 18
3.3.3 初值条件的设定 18
3.4 本章小结 20
第四章 烟气数据分析 21
4.1烟气温度分析 21
4.1.1烟气温度垂直分布 21
4.1.2烟气温度水平分布 25
4.2烟气浓度分析 26
4.2.1混合烟气浓度分析 26
4.2.2 各组分气体浓度分析 31
4.3 速度场分析 32
4.4 本章小结 38
第五章 总结与展望 39
5.1 全文总结 39
5.2 展望 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
据相关文献记载，在已知的船舶失事例子中，因火灾而失事的只占其中总量的11%，但船舶火灾事故所带来的各种损失在所有船舶事故中却是最高的[1]。在上世纪末，英国年均大概要有130起舰船火灾事故，其中机舱失火的概率为50%和电气舱室失火的概率为20%[2]。据统计，21世纪以来我国每年大约有30多起船舶火灾事故，而在机舱处发生火灾的次数大概占了其中的3/4[3]。由此可见，机舱是最容易发生火灾的位置。
1.1.1 船舶机舱失火原因
主机舱和辅机舱二者组成了船舶机舱，其中包含主机、辅机设备、电站和许多管路系统。机舱内部结构、布置错综复杂，其中容易失火的部分主要有：主机、辅机、锅炉、各类排烟管、燃油系统、滑油系统、电力设备、电线电缆[4]等。
船舶机舱的失火缘由一般有以下四点：
电气火灾
机舱中主机、辅机大多都是用电设施，这些用电设施所需的电线、电缆等等经常因为短路、过载、过热、电火花等因素产生火源，进而引起火灾。电气火灾特别容易发生在下面几个方面的情况中：一方面，用电设施出现毛病，再加上工作人员未发现或操作不当,会使用电设备线路出现短路等情况，从而导致线路过载、高温，进而引发火灾。另一方面，用电设备的电线、管路等由于老化、腐蚀等问题出现漏电、短路等问题，从而引起绝缘层的燃烧，进而引燃四周的可燃物体，产生火灾。
设备火灾
这类火灾通常有两方面：一方面，机舱中大多数设备都是高温热源，而高温热源又靠近周围的可燃物体，很容易引燃周围的可燃物如易燃液体，产生火源；另一方面，设备出现故障或者工作异常，又未得到及时修复，那么设备的过热表面也可引燃易燃物，产生火源。
人为失误造成的火灾
工作人员若违规操作，疏忽大意将会引来火灾。比如在驳油过程中，工作人员擅自离开导致油溢出来，一旦接触到高温表面很容易引发火灾；又比如工作人员在热工作时没有找到安全工作位置，导致火花、高温焊渣接触易燃物，也很容易引发火灾。
(4)其他原因引发的火灾
一方面是由于一些自然灾害比如闪电、打雷而引发的火灾；另一方面是有人故意放火，这里不加说明。
1.1.2 船舶机舱火灾特点
因为船舶机舱的位置和功能的重要性，它具备其他舱室所没有的特点：
(1)火势大、难以扑救
机舱内部空间窄小，高温设施众多，可燃物比如燃油、滑油遍布整个舱室，只要一有火源，火焰将会迅速蔓延整个舱室，很难控制火势。难以扑救是所有船舶火灾的特点，一是因为船舶与陆地建筑不同，它是个海上移动平台，一旦发生火灾，只能靠自救。二是由于机舱内部空间狭小、各种设备错综复杂，灭火人员和一些大型消防工具难以到达需要扑救的火灾区域，消防设备施展不开，救援势必会受到极大限制，所以扑救难度很大。
(2)火灾蔓延速度快
一方面，舱室内遍布着大量燃油、滑油等液体，这些液体易燃易爆，只要有一丝火源，便会引发大面积火灾，且火势蔓延迅速。另一方面，机舱中没有用来阻隔火灾的设备，火焰会向周围舱室伸展[5]。此外，舱室中金属构件如钢，导热系数很大，金属热传导快，表面温度很高，会引燃挨着或者靠近金属构件的物体。
(3)火灾发生率高
据统计，机舱、日常生活地方和货舱这三处，最容易发生失火[6]。对于民用船舶，起居舱室是火灾高发地，而对于大型船舶和军用舰船，火灾发生次数最多的是机舱，约占所有船舶火灾事故的3/4左右。机舱作为能量转换的场所，里面结构复杂，有着主机、辅机和燃油等等，在任一部分出了故障都可以引起火灾。
(4)散热困难
封闭舱室和陆地建筑不同，它一般没有门窗开口，仅仅在顶部有开口，平常的通风也大多是通过机械通风帽进行的。发生火灾后，若采取封舱灭火，那么机械通风口也将关闭，这就造成了舱室通风困难，热烟气无法及时有效地排出，导致舱内温度和压力都急剧升高，从而有引起舱室的爆炸。
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