载人航天器舱内火灾烟雾分布规律数值模拟研究

胡海兵，王 彦，王 锋，方 俊，王进军，张永明

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥230027）

1 引言

载人航天器是典型的孤立系统，要保证乘员的正常活动和仪器设备的正常运转，必须采取措施控制其内部环境。环境控制和生命保障系统（ECLSS）中舱内环境通风及其气流组织方式会直接影响舱内环境参数的控制效果和热舒适性[1]。

航天器舱是一个密闭而狭小的空间，舱内的各种机电设备层叠密布，航天员的操作活动空间甚小，通畅性较差，个人逃逸受到限制，可利用的灭火资源非常有限，存在发生火灾的可能性。微重力密闭空间强迫通风是载人航天器（包括空间站、载人飞船和航天飞机等）封闭舱内的基本特征环境，微重力水平约为10-4g～10-6g。为保证航天员生存和舒适，舱内保持气压约1atm、氧含量略高于21%、气体流速0.2～0.8m/s[2]。一旦发生火灾，不仅会使航天员受到热和毒气的威胁，使舱内设备及构件受到损坏，而且还可能出现更多不可预见的险情。在早期火灾探测中“烟为火始”，目前载人航天器上较多采用的是光电型感烟和离子型感烟传感器，由于微重力环境下，火灾烟雾早期特性和运动分布规律与地面存在的较大差异，采用常重力下的感烟探测报警器布置方法必然导致误报和漏报偏高。目前国内外学者对微重力环境中材料的可燃性、环境对火焰传播速度的影响、火灾烟颗粒光散射理论、感烟探测器的选型及火灾烟雾探测识别算法等研究较深入，然而对微重力下强迫通风火灾烟雾运动及分布规律的研究还没有相关报道。

微重力环境火灾的发生、发展及产物与常重力环境有明显的差异[3，4]。有效的火灾探测能够很好的防治火灾，使火灾在初起期可以通过相对简捷高效的方式对其进行扑灭。许多研究学者针对微重力环境火灾探测器的设计和选型进行了一系列研究，得出了适合于航天器的火灾探测器[5-7]。然而，在微重力环境中由于缺乏自然对流，探测器不能与常重力环境一样布置在顶棚位置处。因此需要开展微重力环境火灾烟雾运动及浓度分布情况研究，指导火灾探测器的布置。基于火灾燃烧试验的破坏性和火灾数值模拟软件FDS在微重力领域研究的有效应用[8-13]，本文采用数值模拟方法研究微重力环境舱室火灾发生发展和烟雾运动及分布情况，为该环境下探测器的合理安装提供理论支撑。

2 舱室介绍

模仿国际空间站实际舱体的基本结构，设计并建立了1∶1的实体模型。实验舱的主要功能是模拟空间站的主体结构特征和强迫通风烟雾流动情况，从而再现创造与实际空间站类似的结构边界条件与强迫通风环境，为在此条件环境下分析火灾的行为特征规律，发展空间站火灾探测与灭火技术提供基本的试验平台。

实体图与示意图如图1、图2所示，实验舱尺寸为：2m（长）×2m（宽）×4m（高），包括 1个中心位置的方柱形人员活动舱和4个弧形侧面设备舱；强迫通风系统包括6个45°斜向、变频风扇控制的40cm×40cm方形送风口，以及与送风口对应的6个20cm×40cm回风口。人员活动舱一端有供人员出入的2扇门，侧面有实验视频观测窗口，底面设备舱可布置各种场景火源，各个设备舱均可布置光电感烟探测器以采集各种实验数据。

图1 载人航天舱室实体图

图2 载人航天舱室示意图

3 微重力强迫通风环境烟雾输运规律

3.1 实验舱强迫通风条件下流场分布数值模拟

针对模拟实验舱顶棚送风口采用45°角斜向送风，底板自然通风的气流组织方式，采用流体动力学模拟软件FLUENT进行数值计算，考察舱内的气体流动情况。由于舱室为对称结构，截取X=2m处的界面考察该种通风方式对舱室气流组织形式的影响。图3为舱室内部结构图。计算过程中使用控制容积法对N-S方程进行离散。差值方案选择Body Force Weighted格式，压力-速度耦合方程用SIMPLE算法，动量、能量、k和ε方程选择二阶迎风格式。选用的湍流模型为带浮力修正的k－ε方程，壁面处理采用标准壁面函数方法。

图3 舱室内部结构图

图4 舱室X=2m截面气流速度矢量图

图5 舱室X=2m截面气流速度等值线图

图4和图5分别为舱室X=2m截面气流速度矢量图和气流速度等值线图。从图4可以看出，采用这种通风方式，舱室内流场分布均匀。国际空间站对舱室气体流速分布的具体要求为：舱内整场2/3的气体流速0.051m/s～0.203m/s，最大不得大于1.02m/s，最小不得小于0.036m/s[14]。从图5中可以看出，采用该种通风方式可以使舱室内气流速度分布满足要求，即满足航天舱内宇航员的热舒适性要求。

3.2 实验舱强迫通风条件下火灾烟雾浓度分布数值模拟

3.2.1 燃烧材料选取

由于微重力环境中火灾主要是由导线、电路板、电子元器件等过流过载引发的，根据国外研究机构在微重力环境中的试验结果[15]，选取丙烷作为燃料代替典型可燃材料的燃烧率及产烟率。应用火灾动力学模拟软件 FDS（Fire Dynamic Simulation），修改其中相应的材料参数代替导线等大部分可燃物的燃烧。该近似火源在微重力环境中的产烟参数如表1所示。

表1 丙烷燃料烟源参数

3.2.2 模拟实验舱边界条件和工况

舱体尺寸：4m×2m×2m，烟源尺寸：0.2m×0.2m，通风情况：顶棚6个斜向45°角通风口初速度0.3m/s及相对应正下方的几个相同尺寸的开口；温度：293K；网格划分：80×40×40=12.8万个网格，计算时间：500s。由于航天舱室为轴对称结构，所以火源位置选取在舱室底面中心和侧壁中心位置处。考虑到国际空间站中有的舱室内无强迫通风，所以选取有通风和无通风的情况进行对比分析（表2）。

表2 火源位置与通风条件工况

3.2.3 数值模拟结果

为保证数值模拟的正确性和检查的直观性，在数值模拟过程中加入示踪粒子，得到的通风情况如图6所示。火灾探测要求在1min～2min内报警，故截取75s～100s时间段并对烟气浓度取平均值，考查烟气分布情况以指导探测器的选型和安装。

图6 通风情况的直观粒子示踪图

图7和图8为火源位于底面中心，无通风情况（A2）和有通风（A1）两种工况烟气浓度（mg/m3）分布数值模拟结果。对比两图可以发现，在无通风情况下，由于在微重力环境中缺乏自然对流效果，所以烟气呈半球型靠温度梯度向外均匀扩散，且在火源位置处烟雾浓度较高。当有通风情况时，强迫通风气流的卷吸和夹带对烟雾浓度起稀释的作用，所以烟雾最大浓度要低于工况A2，且在侧壁及顶棚都有较高烟气浓度分布。在数值求解过程中，由于初始计算条件的不同，得到如图8所示的符合数学物理角度分析的分岔解[1]。

图9和图10为火源位于侧壁中心，无通风条件（B2）和有通风条件（B1）下烟气浓度分布。在无强迫通风情况下，烟雾仍然在火源位置处聚集呈辐射状向外发展。当有强迫通风时，由于侧壁位置距离出风口位置较近，因此对烟雾影响与火源在底板中心位置处不同，烟雾大部分集中在竖向高度0.5m位置以上，且顶棚出聚集的烟雾量要小于A1工况。

图7 截面X=2m处75-100s平均烟雾浓度分布云图

图8 截面X=2m处75-100s平均烟雾浓度分布云图

图9 截面X=2m处75-100s平均烟雾浓度分布云图

图10 截面X=2m处75-100s平均烟雾浓度分布云图

综上所述，当无强迫通风情况，火源无论位于什么位置，探测器最适宜布置在火源位置附近。但是这样难免要布置很多点，并且增加功耗。所以建议采用吸气式进行探测，即定期从空气循环系统中吸气到分析系统中进行空气质量分析，并采用烟气浓度、烟气温度、CO浓度进行多信息融合探测报警。

从图7-图10的整个模拟结果表明，当火源位于底板中心位置处，有强迫通风的情况建议探测器布置在出风口位置或者顶棚离送风口约0.5m的位置，且应对称分布；当火源位于侧壁处且有强迫通风条件时，由于强迫通风的影响，烟气向出风口位置处移动，烟气在顶棚也有聚集，建议感烟探测器布置在出风口位置附近及顶棚距离送风口0.5m位置处。

4 结论

（1）数值模拟结果表明，顶棚送风口采用45°角送风和底板自然通风的通风方式，当送风口初速度为0.3m/s时，其速度分布符合国际空间站要求，能够满足舱内人员生活和设备散热的需求。

（2）当火源位于底板中心位置处，建议光电感烟探测器布置在出风口位置或者顶棚离送风口约0.5m的位置，且应对称分布；当火源位于侧壁处且有强迫通风条件时，建议光电感烟探测器布置在出风口位置附近及顶棚距离送风口0.5m位置处。 ◇

［1］郑忠海，张吉礼.载人航天器舱内通风空调特性和数值模拟.建筑热能通风空调［J］，2005，24（4）：86-90.

［2］Jerry Jon Sellers.Understanding space:introduction to astronautics［M］.McGraw-Hill,2007.

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［6］Robert Friedman and David L.Urban.Progress in Fire Detection and Suppression Technology for Future Space Missions.NASA/TM—2000-210337.

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［8］K.B.McGrattan,T.Kashiwagi,H.R.Baum,and S.L.Olson.Effects of Ignition and Wind on the Transition to Flame Spread in a Microgravity Environment.Combustion and Flame,106:377–391,1996.

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[11]W.Mell,S.L.Olson,and T.Kashiwagi.Flame Spread Along Free Edges of Thermally-Thin Samples in Microgravity.In Twenty-Eighth Symposium （International）on Combustion,pages 2843–2849.Combustion Institute,Pittsburgh,Pennsylvania,2000.

［12］K.Prasad,Y.Nakamura,S.L.Olson,O.Fujita,K.Nishizawa,K.I－to,and T.Kashiwagi.Effect of Wind Velocity on Flame Spread in Microgravity.In Twenty-Ninth Symposium （International） on Combustion,pages 2553–2560.Combustion Institute,Pittsburgh,Pennsylvania,2002.

［13］Y.Nakamura,T.Kashiwagi,K.B.McGrattan,and H.R.Baum.Enclosure Effects on Flame Spread over Solid Fuels in Microgravity.Combustion and Flame,130:307–321,2002.

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［15］John E.Brooker,David L.Urban and Gary A.Ruff,ISS Destiny Laboratory Smoke Detection Model.NASA Glenn Research Center,2007.