基于FDS的船舶客舱火灾危险性数值模拟研究

吴哲非+谢启苗

摘 要：随着现代船舶行业的飞速发展，船舶的使用率又有了进一步的提升，但是随之而来的船舶火灾事故也是日益增多，而客舱，作为船舶的重要组成部分之一，又涉及到人员的安全，发生火灾时的危险性不言而喻。本文主要研究的是船舶客舱火灾危险性数值模拟分析，首先分析总结船舶客舱火灾的主要特点和原因，接着通过PyroSim软件对某一船舶客舱进行3D物理模型建立和火灾场景设计，再通过FDS进行模拟，得出温度、烟气浓度和能见度这三个危险性数值来研究分析，并结合实际情况提出可行的防火建议，为今后类似的船舶客舱火灾问题提供有益的数据和参考。

关键词：船舶客舱；火灾；数值模拟；能见度

1.引言

近年来我国航运业由于船舶火灾事故所造成的重大经济损失和人员伤亡一直存在，加之船舶火灾的频发性和严重性等特点[1]，国际海事组织（IMO）对此也早已高度重视并已制定出各种公约来从一定程度上确保船舶消防的安全，例如ISM规则就着重强调了人（即船员）在船舶消防中所需要发挥的重要作用[2]。所以，对于船舶火灾的研究是非常具有现实意义和价值的，无论是对其预防工作还是补救工作都能提供有效的帮助和依据。

2. 船舶客舱火灾场景设计

2.1 空间尺寸及网格划分

本文利用PyroSim软件对某一层船舶客舱进行3D物理建模，对其进行模型简化建立。总空间尺寸为长×宽×高=18m×22m×2.6m，X，Y，Z 轴的网格数分别为90，120，15，最小的网格尺寸为0.2×0.18×0.17，网格总数为162000。FDS物理模型场景如图2.1所示。设置这样的网格模型是基于既可以比较准确的表现出该船舶客舱的基本情况，又可以在节约运算时间的基础上得到相对比较精确的模拟结果[3]。

2.2空间内的组分及其材料设定

本文主要的研究对象是某一层船舶客舱，共有11个客舱，每个客舱内都设有单独的阳台和卫生间，一个主门通向走廊（1m×2m），客舱内的主要组分包括床配套（床铺、床单、枕头、被子、床头柜、床头灯），沙发配套（沙发、靠垫、茶几、茶具），衣橱、窗帘、写字台、电视、笔记本电脑、椅子、柜子、垃圾桶等。客舱内的一些主要组成部分详见下表3.1。

2.3火灾场景及火源设置

本文主要针对不同火源位置情况下的船舶客舱火灾进行研究分析，所以主要分为两种情况，一种是将火源设置在室内，即船舶的某一个客舱内；另一种是将火源设置在客舱外的走道上，即发生火灾时人员疏散的必经之路上，通过这两种不同的情况对于船舶客舱火灾危险性数值进行模拟分析，得出有效结论。本文进行的模拟火源的设置为1200 。

2.4通风口及各类传感器设置

本文进行的船舶客舱危险性数值模拟主要是分析温度、烟气浓度和能见度三个要素，所以设置的传感器类型也是主要围绕着三个要素，首先在整个模型1.7m的高度处设置了两个切片，一个温度切片，一个能见度切片用来反映1.7m处的温度和能见度情况；接着在每个客舱门口高0.7m和1.7m处各设置一个温度传感器和烟气浓度传感器，如果是客舱内部发生火灾的情况，首选的肯定是向室外逃生，而阳台外面就是大海，应该不予选择，剩下的就是向走廊逃生，必经之路就是客舱大门，所以对于客舱门处的危险性数值分析也十分必要；然后每个阳台门1.7m处也各设置了一个温度传感器和一个烟气浓度传感器，如果遇到特殊情况导致无法从客舱门进行逃生，一直呆在室内又有一定的危险性，这时就可以退到阳台外等待救援人员的到来，所以阳台门的危险性情况也需要考虑；再有就是室内的危险性的情况也十分必要，所以在接近整个客舱中心的位置1.7m高处同样设置一个温度，一个烟气浓度传感器，由于是室内，所以在附近再设置一个能见度传感器来观察火灾发生时客舱内部的能见度情况，再加一个烟气层高度探测器，烟气层高度同样是火灾发生时十分重要的参数之一，烟气层高度一旦超过了客舱内部人员视力的高度就会对人员疏散产生一定的影响，而过低的烟气层高度也会影响逃生人员的视觉和视界，增加火灾危险性以及逃生的难度；最后在客舱外的走廊两个尽头外加整层客舱的出口位置同样设置能见度探测器以及烟气层高度探测器，反映火灾发生时客舱外走廊的危险状况。通风设置主要设置在每个阳台外面，模拟阳台门敞开的情况。

3. 基于FDS的船舶客舱火灾危险性数值模拟分析

本文通过PyroSim软件对船舶客舱建模之后，运用FDS进行火灾模拟，进而分析研究温度[4]、烟气浓度和能见度三个危险性数值。温度和烟气是干扰人员疏散的主要因素，而烟气的遮光性和障碍物的封闭效应对发生火灾时的可见度又有很大的影响[5]。

3.1温度分析

3.1.1火源位置一（室内）温度分析

首先对Z=1.7m的温度切片进行分析研究，发现火灾发生后300s时，存在火源的那间客舱内的温度已经基本达到了最大值，到700s时，大多数客舱内的温度也陆续达到了最大值，等到1200s模拟结束时，各个客舱内的温度基本趋于稳定，由于通风口的存在不断的会有新鲜空气进入船舶客舱，导致火势不会因为火源的燃烧完毕而变小或停止。下图3.1（a）折线图1反映的是火源客舱的大门口1.7m和0.7m处的温度变化情况，接近300s左右火灾烟气的高温开始影响明显，接着就是温度的持续快速上升，1.7m处在540s左右温度达到最大值，而较低位置的0.7m则到660s左右才达到温度的最大值，且最大温度低了将近120℃，之后温度开始慢慢的下降，最后1.7m处稳定在350℃左右，0.7m处稳定在310℃左右。而火源位置附近設置1.7m处由于离火源位置比较靠近，导致在780s左右温度又有了进一步的上升，产生二次升温，所以越靠近火源，火灾危险性就越大。

3.1.2火源位置二（室外）温度分析

同样对Z=1.7m的温度切片进行分析研究，发现火灾初期由于火源在走廊，所以整条走廊的温度上升速度比较迅速，400s时整条走廊的温度基本达到最大值，由于火源是在走廊中，客舱内部阳台又设置为通风，所以客舱内部的温度并不像火源在室内的情况那样高，但是火灾危险性依旧存在，火势也有可能从走廊蔓延到室内。下图3.2（a）折线图2反映的是正对火源以及最靠近火源的两个客舱的门口1.7m和0.7m的温度变化情况，可以发现，不同于上一种情况温度在持续上升一段时间之后会开始下降，温度一直保持上升的趋势，只是上升的幅度相对较小，最后同样趋于稳定。endprint

3.2烟气浓度分析

下图3.3是根据设置在火源客舱门口的烟气传感器得出的数据所绘制的烟气浓度折线图，可以非常清晰的看出发生火灾后烟气蔓延的速度非常迅速，将近30s的时间门口1.7m处的烟气浓度就基本达到100%，同时可以很直觀的看出不同高度的烟气浓度变化的差异，0.7m处直到280s左右烟气浓度才开始上升，主要原因就是顶棚射流原理。

下图3.4是根据设置在火源客舱门口的烟气传感器得出的数据所绘制的烟气浓度折线图，相对于火源在室内的情况，烟气浓度上升的速度明显要缓慢许多，但是高度对于烟气浓度的影响依然存在，同样是1.7m处的烟气浓度上升的速度明显快于0.7m处，并且烟气浓度的上升趋势相对火源在室内的情况比较不稳定，加上通风的作用导致烟气浓度很难达到100%。

3.3能见度分析

客舱内部着火后，产生的烟气由于顶棚射流沿着客舱顶部向四周运动，直至充满客舱顶部，接着烟气层开始向下运动，运动的同时也在影响着覆盖区域的能见度随着烟气浓度的不断增大，客舱内部的能见度开始逐渐降低，直至整个客舱内部的能见度趋于零，同时烟气也在不停地向室外，即走廊蔓延，降低走廊上的能见度。

根据下图3.5可以发现80s左右的时候整条走廊的能见度已经基本趋于0了，烟气已经开始向其他客舱内部进行蔓延，等到345s左右，火灾发展到一定程度后，基本整个船舶客舱的能见度都已经接近最小值，处于十分危险的状况。

客舱外部走廊着火后，产生的烟气同样由于顶棚射流沿着客舱顶部向四周运动，直至充满客舱外走廊顶部，接着烟气层开始向下运动的同时向其他客舱内部蔓延，蔓延的同时也在影响着覆盖区域的能见度，随着烟气浓度的不断增大，客舱内部的能见度开始逐渐降低，直至整个客舱内部的能见度趋于零，但是由于客舱内部设计存在阳台进行通风，所以烟气并不会积聚在客舱内部，虽然延期不断的涌入客舱，但客舱内部的能见度还是会比走廊要好。

根据下图3.6可以发现由于火源是在走廊，所以44s左右的时候整条走廊的能见度已经基本趋于0了，烟气已经开始向其他客舱内部进行蔓延，等到250s左右，基本整个船舶客舱的能见度都已经接近零，处于十分危险的状况。

4.结论与对策建议

通过对两种工况下火灾发展及蔓延的对比研究，可以得出以下结论：（1）对于温度的分析，两种情况下的客舱温度上升均比较迅速，对比下来，火源在室内发生火灾之后危险性更加容易扩散到客舱外部，进而导致整个环境的危险性大大增加，室内的最高温度可以达到800摄氏度以上，远远超过人体所能承受的温度。（2）火灾发生后烟气的蔓延速度也比较迅速，特别是走廊中的烟气，由于顶棚射流的作用，基本90s左右的时间走廊上就充满了火灾烟气，而走廊又是逃生的重要路径，所以对于走廊上的烟气蔓延问题也需要一定的解决措施，例如相应的排烟措施和设备的有效使用。（3）火灾发生在走廊上能见度下降至1m以下的速度比火源在室内的情况要快将近一倍的时间，能见度不足会严重影响人员的逃生。（4）根据模拟结果分析，首先船舶客舱内部需要一定的水喷淋系统，可以在火势还未变大的时候进行有效地抑制，将客舱内部以及走廊的烟气温度进行有效的降低，消防设备的数量和正常使用需要进行保障；客舱顶部的防热处理需要重视，尽量在建造材料以及组分材料上选取燃烧时不太容易产生有毒气体的材料，尽可能从根源上避免有毒气体的产生，机械排风系统对于降低客舱内的烟气浓度也有一定的帮助，能够有效的控制高温及有毒烟气的扩散，同时实施合理的防排烟措施，有效地提高能见度，使人员可以更加迅速安全地进行疏散和逃生。

此外，本文也只是根据所得出的危险性数值提出建议，后续的人员疏散的具体情况模拟研究也十分有必要，包括结合人的生理、心理影响等进一步研究都对于更好地了解船舶客舱火灾危险性很有帮助。 船舶客舱，人员移动的住所，对于其安全性的研究需要不断的完善，不断的改进，努力做到真正的安全。

参考文献：

[1]朱小俊，杨志青，王东涛，王凤良.船舶火灾研究综述[J].消防科学与技术，2008，（3）：159-163.

[2]郑环宇，赵朗，郑先超.船舶舱室火灾危险性分析[J].广州航海高等专科学校学报，2011，（4）：14-16.

[3]薛伟，张光俊.FDS火灾模拟与应用[J].吉林林业科技，2006，35（6）：18.

[4]杨枫，浦金云，李其修，吴向君.船舶封闭舱室池火灾温度分布特性[J].海军工程大学学报，2013，25（3）： 61-65.

[5]任鸿翔，金一丞，尹勇.船舶火灾模拟训练系统研究[J].武汉理工大学学报，2010，（1）：19-22.endprint