（安全技术及工程专业论文）船舶封闭舱室火灾温度分布特性实验研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t o n eo ft h em o s tc o m m o ns c e n a r i o so ff i r ei st h ec h a m b e rf i r ew h i c hh a sb e e n p a i ds p e c i a l l ya t t e n t i o na n ds t u d i e db yl o t so fr e s e a r c h e r s s of a r , f i r e si nb u i l d i n g s w i t ho u t l e t ss u c ha sw i n d o w sa n dd o o r sh a v eb e e ns t u d i e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gf i r e m o d e l sh a v eb e e nd e v e l o p e d ，b u tf e wr e s e a r c h e sh a v eb e e nf o u n da b o u tt h ef i r e i n c l o s e dc h a m b e rw i t h o u to u t l e t so rw i t ho n l yr o o fo u t l e t t h i sp a p e rc o n d u c t e dal a b - s c a l ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hu s i n gac l o s e dc a b i nf i r e t e s t i n gs y s t e md e v e l o p e db yo u r s e l v e s ，a i m i n ga tt or e v e a lt h ep r i n c i p l e so ft h e c o m b u s t i o na n dt h es m o k em o v e m e n ti nf i r e so c c u l l r e di nc l o s e dc a b i n t h e e x p e r i m e n t w a sc o n d u c t e di nac l o s e d s h i p c a b i nw i t ht h ed i m e n s i o no f 1 0 0 0 m m ( l ) 1 0 0 0 m m ( w ) 7 5 0 m m ( h ) t h ep r o p e r t i e so ft h ef i r e i nac h a m b e r w i t h o u to u t l e tw a ss t u d i e d ，e m p h a s i z e da tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h es m o k e m o v e m e n ti nt h ec a b i n t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t au s i n gv a r i o u s m e t h o d ss u c ha st h e o r e t i c a li n d u c t i o n ，a n a l o g y , n o n - d i m e n s i o n a n a l y s i se t c ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h es m o k em o v e m e n to ff i r ei n c l o s e db o a tc a b i nw e r ec o n c l u d e da sf o l l o w i n g ： f i r ei nc l o s e dc a b i nu s u a l l yc o n s i s t st h r e ec o n s e q u e n tp e r i o d s ，n a m e l yt h ef a s t d e v e l o p i n gp e r i o d ，t h et e m p e r a t u r es t e a d yi n c r e a s i n gp e r i o da n dt h ec l o s e b u r n o u t p e r i o d a tt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n ，m o s to fs p a c e s ，t h es a m et e m p e r a t u r ea p p e a r sa t t h es a m eh e i g h ti nt h ec a b i n ；a tt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n ，t h eg a si nt h ec a b i nc a nb e c l a s s i f i e di n t ot w ol a y e r s ：t h eu p p e rl a y e rw i t hh i g ht e m p e r a t u r ea n dt h el o w e rl a y e r w i t he v e ng r a d i e n to fd i s t r i b u t i o n i nt h eu p p e r a r e a ，t h et e m p e r a t u r er e m a i n st h es a m e e v e r y w h e r ea n dh a sn o t h i n gt od ow i t ht h eh e i g h t ，w h i l ei nt h el o w e ra r e a ，t h e t e m p e r a t u r ei sa no n eo r d e rf u n c t i o nw i t ht h eh e i g h t ，n a m e l y ，i si nd i r e c tp r o p o r t i o n w i t ht h eh e i g h t c o n s i d e r i n gt h a tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ec a b i na tt h et i m eo fb u r n o u t c a nb er e p r e s e n t e da sas e p a r a b l ef u n c t i o na n dt h ed i m e n s i o n l e s st e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni sc o n s i s tw i t ht h eu n i t e db o l t z m a n ne q u a t i o n ，am o d e lf o r p r e d i c t i n gt h e t e m p e r a t u r ea tt h et i m eo fb u r n o u th a sb e e np r o p o s e d ，w h i c hp r o v i d e st h et h e o r e t i c a l b a s i sf o re s t i m a t ea na p p r o p r i a t et i m et oo p e nt h ec a b i na f t e rt h ef i r es u p p r e s s i o no fa s h i pf i r e t h em o v e m e n to ft h es m o k ei nf i r e so fc l o s e dc a b i ni sv e r yd i f f e r e n tf r o mt h a ti n t h en o r m a lb u i l d i n g sw i t hv e r t i c a lo u t l e t s h e r e ，t h et r a d i t i o n a lt w o z o n em o d e l i n i h a b s t r a c t w h i c ht h es p a c ei sd i v i d e di n t ot h eh o ts m o k el a y e ra n dt h ec o l dg a sl a y e r , i sn o t s u i t a b l ea n y m o r e i n s t e a d ，a st h et i m ee l a p s e d ，t h eo r i g i n a lt h r e el a y e r so fs m o k e ， w h i c hc o n s i s t so ft h eh o ts m o k el a y e r , t h ec o l ds m o k el a y e ra n dt h et r a n s i t i o n a ll a y e r , c h a n g ei n t ot w ol a y e r s ，n a m e l yt h eh o ts m o k el a y e ra n dt h et r a n s i t i o n a ll a y e lw h e r e t h ec o l dg a sl a y e rd i s a p p e a r s t h eh e i g h to ft h es m o k ei n t e r f a c ei nf i r e si nc l o s e d c a b i nc h a n g e sa st h ef o r mo fe x p o n e n t i a la t t e n u a t i o nw i t ht h et i m e ，am o d e lh a sb e e n p r o p o s e do ft h eh e i g h to f t h es m o k ei n t e r f a c ew i t hd i f f e r e n tf i r ep o w e r s k e y w o r d s ：c l o s e dc a b i n ，s h i pf i r e ，t w o - z o n em o d e l ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ， s m o k em o v e m e n t i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 作者签名：立啦 签字r 期：逊犁z 迎 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 ； 母公丌口保密( 年) 作者签名：翊鳋导师签名：靼 签字同期：鲨冬色b 垃一签字同期：丛l ! 氢墨盘竺亟 第1 章绪论 第1 章绪论 船舶有“水上建筑”的称号，随着我国海洋运输业的发展，它在国民经济中 发挥着越来越蕈要的作用。船舶火灾也因此越来越受到重视和关注，并且它是世 界上公认的最难扑救的火灾之一，是船舶海难中非常常见且危险性较大的一种事 故 1 】 2 】 3 】。 我国目前各类船只总数上百万，到2 0 0 6 年为止运输船舶的总数量约为2 1 万艘。伴随着海运事业的迅速发展，我国船舶火灾的发生也不断增加，造成的损 失也越来越大。我国每年发生船舶火灾事故近3 0 起，造成的损失占海难总损失 的十分之一左右。 1 9 9 2 年至1 9 9 5 年3 年内，我国发生船舶火灾1 0 1 起，直接经济损失7 6 1 6 万元。整个9 0 年代，我国发生上报的民用船舶火灾共2 5 7 起，直接经济损失 1 6 7 8 8 3 万元。同比8 0 年代，火灾发生率和损失数分别上升了7 9 7 和8 2 6 。 其中重大船舶火灾6 5 起，直接经济损失1 6 1 3 2 6 8 万元，平均每起火灾损失达到 2 4 8 2 力- 元，跟8 0 年代相比，分别上涨了2 3 、5 5 和2 7 。 进入二十一世纪以后，世晃上大型船舶火灾频发，下面为其中一些典型案例 及其造成的损失。 2 0 0 0 年5 月6 同，中国葛洲坝水利水电工程集团公司的“平湖2 0 0 0 ”涉外 旅游船航行于长江巫峡前巨嘴航段时发生火灾，造成3 人死亡多人受伤，船上四 层至五层的内部设施全部被烧毁，船体结构发生形变。 2 0 0 2 年1 0 月l 同，同本三菱重工业长崎造船厂尚在建造中的“钻石公主” 号突起大火，7 0 船体烧毁，造成数亿美元的经济损失。 2 0 0 2 年1 1 月2 3 只，我国深圳东部大鹏湾外海域，发生了巴拿马籍液化气 船火灾事故，给我国沿海和香港地区的人民生命财产安全造成了极大的威胁。 2 0 0 2 年1 1 月2 7 同，一艘巴哈马船籍的“法尔欧洲 号万吨级巨轮在日本 伊豆列岛附近起火，装载的价值1 0 0 亿同元的3 8 0 0 辆汽车和建筑机械被烈火吞 噬，大火、浓烟和船上泄出的重油给附近居民生活和渔业生产带来了很坏的影响。 2 0 0 3 年2 月2 6 同，“福州宝中1 7 8 ”力吨级轮船在上海外轮修理厂码头修 理时着火，造成1 名修理工死亡并造成近5 0 0 万元的直接经济损失。 2 0 0 4 年1 0 月6 同凌晨，江西某航运有限公司“玉茗油壹号”油船停靠在南 昌市赣江边向油库卸油时爆炸起火，造成1 人死亡，直接财产损失约为3 0 3 6 4 万元。 2 0 0 4 年1 1 月1 6 同，由烟台驶往大连的“辽海轮”滚装船在大连香炉礁客 第1 章绪论 运港码头附近海域发生火灾，甲板以上的部分全部被烧毁，二层汽车舱内的汽车 和货物被毁坏，直接财产损失3 0 0 0 多万元。 2 0 0 5 年9 月l l 同上午，上海振华机械股份有限公司的“振华1 l 号”改装 油轮在长江江阴段发生火灾，造成7 人死亡、4 人受伤。 2 0 0 5 年1 2 月2 4 同，停泊在常州港一艘装有近千吨原油的大型油轮发生爆 炸起火，当时在甲板上的3 名工人中2 人当场死亡，另1 人受重伤。 2 0 0 6 年2 月2 同，载有1 4 0 0 多人的埃及“萨拉姆9 8 ”号客轮在红海起火后 沉没，造成4 1 1 人死亡，6 1 1 人失踪。 2 0 0 6 年3 月2 6 同，韩国h m m 现代海运公司“现代幸运”集装箱轮发生 大火，直接经济损失近2 亿美元。 2 0 0 6 年4 月5 同，停靠在加里宁格勒扬塔船厂的“乔凡娜”号力吨油轮发 生火灾，造成4 人死亡，2 人严重烧伤。 2 0 0 6 年8 月2 4 日，“永华 号客货滚装船在广西北海市高德镇风帆修理厂 船坞内起火，造成近1 0 0 0 力- 元的直接经济损失。 2 0 0 7 年1 月2 5 同，天津港大沽锚地一艘轮船起火，导致船只沉没。 2 0 0 7 年2 月2 2 日，印尼一艘从雅加达开往邦加岛的渡轮在驶离雅加达约8 0 公里时发生火灾，造成4 2 人死亡。 2 0 0 7 年4 月2 l 同，在智利第十大区城市安库德西南2 8 0 海里处的海平面上， 一艘悬挂法罗群岛旗帜的捕鱼船发生火灾，造成1 1 名船员死亡。 2 0 0 7 年4 月2 6 日，浦东上海立丰船厂停泊待修的力- 吨级轮船“新安徽”号 生活区发生火灾，导致2 人死亡，1 人受伤。 2 0 0 7 年9 月2 3 同，一艘重载货船在芜湖长江大桥上游约2 千米水域发生火 灾，船体全部被烧毁。 2 0 0 8 年1 月2 同，高雄市前镇区的一家船舶工厂中正在兴建中的一艘游艇 起火，造成经济损失近7 千多力新台币。 2 0 0 8 年5 月1 8 同，印度尼西亚渡轮在中加罩曼丹省门塔亚河上发生火灾， 导致船只沉没，2 人死亡，2 7 人失踪。 2 0 0 9 年2 月l o 同，一艘装载大约3 万吨冷凝油的油轮与一艘集装箱货船 在迪拜阿罩山港附近航道相撞后起火，油轮严重受损。 2 0 0 9 年3 月2 同下午2 点半，洞庭湖岳阳北门渡口外5 0 0 米远的湖面上一 艘平江籍“小康l 号”轮船突然起火，造成驾驶室和发动机烧毁。 2 0 0 9 年4 月1 日下午，浙江省临海市松山码头一艘采砂船发生大火，货船 上层的全部物资被烧毁。 以上为进入2 l 世纪后世界上发生上报的比较典型的船舶火灾 4 】。如此多的 2 第1 章绪论 案例显示，船舶火灾不仅仅威胁船舶本身、货物等的安全，造成经济财产损失， 严重时还会导致人员伤亡，甚至造成无法估量的环境破坏，军用舰船的火灾则可 能造成更加不堪设想的后果。 1 1研究背景 1 1 1 船舶失火原因 据有关统计资料分析，民用船只火灾发生最多的位置是起居处所，第二是机 舱，第三是货舱，而论其危害性及扑救难度却数机舱火灾最大【5 】。对于军用船 只，则最常见火灾发生在机舱，有关资料表明，仅上世纪9 0 年代，英国海军军 舰平均每年发生多达1 3 0 起的火灾，其中有5 0 发生在机舱，2 0 发生在电气舱 室【6 】。 船舶从使用性质上可以分为：客运船、油船、货运船、集装箱船，但是不论 什么类型的船舶，它们都存在着许多相似的地方，各种船舶也都存在许多相似的 火灾隐患，并且有类似的易发生火灾的危险部位，比如：机舱、厨房、休息室等。 而从火灾调查的角度看引起船舶发生火灾的原因，可分为：明火火灾、电气火灾、 意外火灾和人为纵火 7 】。 ( 一) 明火火灾 明火火灾一般发生在船舶维修施工现场、厨房和人员休息室。一是在船舶维 修现场，在进行氧气切割等明火作业时，由于操作上的失误、安全检查不细致等 原因都易引发“隔空间”、“远距离”火灾。二是厨房内使用的明火，由于工作人 员的疏忽都有可能引燃厨房内部的油类及厨房内部的装饰材料。如：2 0 0 8 年6 月l o 日，上海陈家镇奚家港码头某船舶由于工作人员用火不慎引发火灾。三是 在人员休息室，未熄灭烟头则是最大的火灾隐患，由于吸烟的人员众多不便于管 理，使得烟头引起火灾的危险性最高。 ( 二) 电气火灾 各种船舶在机舱内都有柴油机、发电机等多种用电设备，各种用电设备之间 由电线、管路相连接，常常由于过载、短路、接触不良、电弧火花、漏电、雷电 或静电等原因产生火源引发火灾。从电气防火角度看，电气火灾大都是由以下一 些原因导致的：一是电气线路由于导线采用暗敷设，当导线绝缘损坏、老化，容 易出现短路、漏电现象从而引起绝缘层燃烧，高温能使会属熔化，引起邻近的易 燃物、可燃物的燃烧，从而造成火灾。如：2 0 0 8 年7 月6 同，上海陈家镇奚家 港码头某船舶由于电气线路短路而引发火灾。二是电器设备故障。当电器设备发 第1 章绪论 生故障时由于发现不及时，造成电器内部线路形成短路等问题，导致内部线路负 荷增加、温度上升，引起设备燃烧，造成火灾。如：2 0 0 7 年1 月6 同，上海新 河镇上海造船厂5 号码头某船舶、2 0 0 8 年1 月1 2 同，长兴乡凤滨路振华港机二 号码头某船舶均因为电器设备故障而导致火灾。 ( 三) 意外火灾与人为纵火 意外火灾主要是由于自然环境所引发的火灾，比如：雷击等。船舶上有许多 容易着火的物品，可能由于雷击而引燃，从而酿成火灾。对于人为纵火，这是一 种人为犯罪，这里不加说明介绍。 1 1 2 船舶火灾特点 船舶火灾之所以难以扑救，一方面是因为船舶火灾基本只能自救，获得外部 援助的可能性非常小，而船上的人力和设备往往有限。船舶在航行中是一个流动 的、独立的实体，远离陆地和城市，特别是海船，如果发生火灾外援难以及时赶 到；加之火灾发生时如果遇上大风浪，即使外援赶来，救援船也不容易靠拢，风 势还会助长火的蔓延，这样更增加了扑救的难度。另一方面，船体内部结构较复 杂、分舱多、货物密集，消防器材不易到达且回旋余地小，火灾的救援活动受到 影响和限制，因此扑救环境恶劣。 船舶机舱是船舶上极易发生火灾且造成严重后果的处所 8 】 9 】。船舶机舱火 灾与得到广泛研究的地上常规建筑空问火灾有着很大的不同，主要体现在以下两 大方面： ( 1 ) 火灾荷载和火源形式不同 地面建筑空间内的可燃物以固体可燃物为主，对应的火源形式也多为a 类 火灾，尽管随着建筑空间使用功能的不同，建筑空间的统计火灾荷载密度和火灾 发展速度可能不同，但前人根据建筑空间统计了其火灾荷载密度并根据可燃物的 性质划分了火灾增长速率的大小，其火灾特性己为人们较好地掌握。船舶机舱内 可燃物以液体燃料为主，包括动力燃烧和滑油，对应的火源类型为b 类火，具 体形式可以是喷射火也可以是池火( 所谓池火，是一定厚度液态燃料在表面发生 燃烧的一种燃烧形式，当油品自容器或管路泄漏到地面后，将向四周流淌，当受 到物品的阻挡或地形限制时，油品将在某一限定区域内得以积聚，形成一定厚度 的燃料池，这时若遇到点火源，就可能引发池火) ，由于机舱的液体燃料极易燃 烧，火灾蔓延很快，火灾增长速率通常远大于建筑空间火灾，燃烧猛烈。 ( 2 ) 空日j 结构与通风条件不同 地面建筑受限空间多以钢筋混凝土、砖墙和玻璃等建筑材料为边界，而船舶 机舱多以钢板为边界，其导热性和气密性都远比比砖墙等结构强。几乎所有的地 4 第1 章绪论 面建筑空间都具有门和窗等开口，这些丌口在火灾过程中起到排烟、补风或卸压 的作用。建筑空问的门窗洞口以垂直开口( 墙开口) 居多，在这类空间中燃烧的 性质和丌口因子彳、厨( 彳，为开口面积，甄为开口高度) 的大小有密切关系。在 具有垂直丌口空间中的燃烧可以分为通风控制类型或燃料控制类型，通风控制燃 烧指可燃物的燃烧速率由流进室内的空气流率控制的燃烧，燃料控制燃烧则指燃 料的燃烧速率由燃料的性质决定的燃烧。h a m a t h y 1 0 分析了大量室内火灾实验 数据后指出，可以根据p g 2 a 。，a r ( p 为室内气体密度，g 为藿力加速度， 彳厂为燃料面积) 大小来区分燃烧是属于通风控制燃烧还是燃料控制燃烧。以船舶 机舱为代表的船舶封闭空间通常没有垂直- 歼口，其平时通风以机械通风为主，一 旦发生火灾，机械通风系统关闭，则起火舱室即成为仅有顶部开口的封闭空间； 如果起火舱室的所有开口被关闭，如封舱灭火阶段，所谓封舱灭火方法指通过关 闭舱室开口使舱室内火灾经过f i = j 烧后，进入缺氧状态，即去除燃烧三要素中的助 燃物，从而达到灭火的作用的一种灭火方法【l l 】，那么机舱即成为一个无丌口的 封闭空间。对于无丌口或无垂直丌口的船舶封闭空间，、矿不存在，因此前人对 有门窗洞口的常规建筑空| 日j 火灾的模型和结论均不适用于这类空问的燃烧行为 分析。 从上面船舶火灾的特殊性，我们认为船舶舱室火灾属于类特别的受限空间 火灾的范畴。但是对于船舶舱室火灾的研究我们仍然可以借鉴受限火灾的理论和 研究方法，因此本研究中，我们通过对封闭空间火灾的研究来探讨船舶舱室火灾 的特性。 1 2 船舶封闭空间火灾研究现状 研究船舶舱室火灾可以通过研究全封闭空间或者顶棚有开口的腔室火灾来 进行。除去森林火灾等一些大自然火灾发生在非受限空间，基本上我们所接触的 火灾都发生于一定的受限空间。受限空间火灾作为最常见的火灾场景，一直以来 得到了火灾研究者的关注和重视，发生于受限空问的火灾行为得到了广泛的研 究，并且建立了一系列火灾模型【1 2 1 3 1 4 。火灾研究者一直关注着开口条件对 于腔室火灾行为的影啦j 1 2 ，1 3 ，1 5 2 0 】。从开口的不同形式来划分，主要有以下几 种情况： 1 ) 垂直开口腔室，此类空问在围壁上开口，这也是我们最常见的建筑火灾 场景，它一般具有门窗等垂直的开口。对于这类空间罩发生的火灾，研 究得也最多，很多的理论和模型都是基于此类空间结构。 2 ) 除了在围壁上丌口以外，顶部也有开口，类似于顶棚有排烟i - 3 的普通建 第1 章绪论 筑空间。 3 ) 水平开口腔室，仅仅在顶部开口。主要包括地下建筑、船舶舱室等通过 顶部水平开口与外界相通的空间。随着船舶及地下建筑的发展，这类空 间越来越多，其消防安全也越来越受到重视，理论研究及实际应用多借 鉴垂直开口空间经验，但由于通风等条件的不同，使得它具有自身独有 的不少特点。 4 ) 全封闭空间，开口完全封闭，处于封舱灭火阶段的船舶舱室就属于此类。 有开口的空f h j 在一定条件都有可能成为完全封闭的空间而使得火灾行 为发生重大变化。 带有第( 1 ) 、( 2 ) 两种形式开口的腔室主要是城市建筑房间，长期以来，火 灾科学工作者对这类结构进行了大量的研究，而对第( 3 ) 中形式的顶部丌口腔 室研究较少，第( 4 ) 中形式的腔室可以归为前面几类中的特殊情况。 1 2 1 国外方面 8 0 年代初，美国的h w e m m o n s 教授最先提出区域模拟的理论，用来模拟 受限空间火灾。其中最为简单的模型是双区域模型 2 1 】。其后，许多学者发展了 区域模型，并将其广泛应用于建筑火灾中，丌发出了以c f a s t 为代表的多款计 算软件。 对于具有垂直开口的单室火灾，s t e c k l e r 2 2 等人进行了全尺度的室内火灾实 验，得到了有关由扩散火焰所产生的烟气运动状态等数据。q u i n t i e r e 2 3 等人则 研究了开口对羽流卷吸的影响。j i n y o n gj e o n g 2 4 等人研究了火源位置对烟气流 动的影响。 对于顶部有水平开口的舱室火灾，人们关注的重点是开口通风情况对顶棚烟 气流动与排烟效果的影响 1 5 1 7 。y i i 等人 1 5 】通过一系列小尺度实验研究了同 时具有垂直丌口和顶棚丌口的腔室火灾特性，发现进入腔室的空气流率与顶棚开 口面积呈线性增加，运用静压差分析能很好的预测顶棚开口的排烟流率。m e r c i a 等1 6 】运用区域模型和场模型模拟了一房间在三种顶棚歼口情况下的排烟效果 与热烟气层特性，结果表明在有顶棚排烟口的情况下，热烟气层的厚度不仅与丌 口大小有关系，也与火源功率和火源高度有关。e p s t e i n 2 5 和j a l u r i a 2 6 各自进 行了盐水模拟试验方面的研究；t a k e d a 2 7 和t h a n 2 8 进行了小尺度模型试验研 究，在综合实验数据的基础上，分析了顶部丌口流动类型可分为震荡交换流和伯 努利流，并由此进行了理论计算，计算中采用恒定发热源来模拟火源； c o o p e r 2 9 3 0 3 l 】 3 2 】对这方面做了一系列的研究，通过区域模拟进行了数值计 算，主要研究了水平开口处的流动情况；s a t o h 3 3 用场模拟的方法对舱室火灾进 6 第1 章绪论 行了数值计算。 对于完全封闭的舱室火灾方面，q u i n t i e r e 1 9 等人在一个小尺度的舱室中研 究了庚烷油池火，研究发现了通风状况对熄火及氧气浓度的影响规律。a n t h o n y p e a r s o n 2 0 研究了当火源位于舱室上部时的燃烧现象。 具体到船舶火灾的研究方面， y o s h i d a 3 4 进行了船舶通道内烟气蔓延过程 的实验研究，通过变换火源强度、通风及排烟的工况，进行了温度、压力和烟气 蔓延情况的测量。g o t t u k 3 5 及他的合作者们对钢结构腔室内的轰然前火灾现象 进行了试验研究和区域模拟，分别测试了柴油、聚亚胺酯板和木垛在不同通风情 况下的燃烧情况。w h i t e 3 6 建立了一个船舶舱室内火灾轰然后向相邻船舱空i 日j 传热的模型。a n d e r s s o n 3 7 对大型客船上的空调系统和排烟系统在火灾中不同区 域的能力进行了评估分析。w i k m a n 3 8 讨论了船舶火灾安全等级的评估问题。 n d u b i z u 和b r o w n 3 9 讨论了船上垃圾存放室的致火与施救问题。r o c k e 4 0 对美 国海军通用的f i r m o d 损伤评估系统中的火灾增长模型和烟气、毒性气体蔓延 模型进行了评价。 1 2 2 国内方面 国内方面这类研究甚少，多为定性分析火灾，局限在提出实际消防措施方面。 王志国定性分析了船舶防火区域的划分和重要舱室的保护 4 1 1 4 2 】。杨传祖 4 3 1 和王英 4 4 】对细水雾灭火在船舶上的应用做了探讨。苗兰森 4 5 描述了我国船舶 灭火系统的现状，进行了卤代烷灭火系统的替代性分析。姜晓燕 1 】根据模糊数 学的思想，建立了舰船机舱消防安全模糊综合评价方法并通过运用层次分析方法 分析了影响舰船机舱消防安全的各种因素。张春来利用可靠性分析中故障树分析 法分析了人为失误和硬件失效两种情况引发的机舱火灾事故，通过定性和定量分 析对导致顶事件发生的人为因素，提出了降低火灾危险发生的概率的方法。 船舶火灾机理研究方面，董华、范维澄 4 6 1 等人对船舶火灾过程作了研究， 并探讨了其数值计算方法，给出了一个用区域模拟方法模拟火灾烟气在船舶通道 内的蔓延特征的算例和一个采用k e 模型计算船舶封闭舱室火灾过程的场模拟算 例。邵高万 4 7 对船舶大空间舱室火灾进行了烟气的填充研究，测得了一系列烟 气温度随高度变化的实验数据，并采用数值方法对烟气进行了模拟，但他的研究 侧重于数值模拟方面，并未就温度分布和烟气运动做更进一步的研究。 纵观所有文献，我国在船舶及其机舱火灾方面的所做研究很有限。现有的文 献也主要集中在对船舶火灾事故成因分析及施救，所表述的内容往往限于经验积 累，其它机理方面的研究显得单薄，并且不成系统。因此，我国目前仍未形成功 能完整的船舶火灾科研体系，对船舶火灾的认识也仍处在宏观和经验的阶段，对 7 第1 章绪论 船舶火灾的研究仍需要大量人力、物力和财力的投入。国内外对于船舶机舱等近 似封闭的舱室火灾机理研究还不够深入，有待加强。 1 3 研究目的及意义 1 3 1船舶火灾研究的意义 火的使用是人类文明和进步的重要因素之一。但是失去控制的火形成的火 灾，却是人类文明成果的重要毁灭因素之一。火灾一直是人类面临的最大灾害之 一，人类与火灾的斗争，差不多与人类文明的历史一样源远流长 4 8 】。人们在 与火灾的斗争中，从大量的经验教训中不断加深了对火灾本质的认识。现代火灾 科学的系统研究，更是大大加深了人类对火灾现象的认识，自火灾科学兴起以后， 与人生活关系密切的建筑空间火灾得到了广泛的研究，很多针对地面建筑空问的 火灾理论和模型相继建立，并被广泛应用于建筑防火设计与火灾扑救。 从前面我们可以看出，船舶舱室封闭空l 日j 与普通陆上建筑空问有很大的不 同，而这种空i 、日j 的特殊性是导致其火灾行为大大区别于地面受限空间火灾的最根 本原因。无开口或仅有顶棚开口的封闭空问火灾燃烧，对氧气的消耗、产物的生 成以及能量的释放使得空间内气体成分、压力和温度等不断改变，而这些变化反 过来会不断影响舱内火灾的燃烧行为，是一个非稳态的燃烧过程，这与有门窗的 普通地面建筑空间火灾过程明显不同，基于常规建筑空间火灾发展起来的火灾理 论或模型难以适用于无丌口封闭空间火灾行为的分析和预测。因此有必要对封闭 空间火灾行为开展专门的研究，掌握船舶封闭空间特有的火灾行为规律，建立相 关火灾模型。同时，船舶防火设计和船舶消防技术的发展也离不丌船舶火灾动力 学规律的支持。 我国目前对船舶及其机舱火灾的研究只停留在着眼于如何扑救的宏观和经 验阶段，缺乏完整的船舶火灾科研体系，这些传统的方法，在处理越来越复杂的 船舶火灾问题事往往显得无能为力 4 9 】。 一方面，我国的航运事业特别是海运事业的进一步发展，我国海军走向蓝水， 迫切要求我们重视船舶火灾的危害性，这是保障国民经济发展的重大需求。这就 需要我们主动深入的去了解船舶火灾发生、发展和扑救的物理机制和规律，从而 把对这种火灾的防治建立在对船舶火灾过程的科学认识基础之上。 另一方面，经过我国最近几年的科研发展，火灾科研工作者在火灾方面已经 取得了很多的科研成果和科研经验，多层次、多学科交叉的火灾科研体系已基本 形成。建筑火灾方面的经验和研究方法可以为船舶火灾的科学研究提供指导。 第1 章绪论 随着船舶现代化的发展，船舶消防必然更大程度地依赖于科技进步，船舶火 灾机理的研究将为船舶消防提供科学的指导。通过调研发现，目前针对以船舶机 舱为代表的密闭或仅有顶棚开口的封闭空间火灾行为的研究十分缺乏。本文j 下是 从这点出发，将船舱简化为封闭舱模型，希望通过研究封闭空间火灾行为，探究 船舱火灾的发生、发展规律。 1 3 2 温度测量的意义 温度作为一个基本的物理量之一，几乎所有的科研和生产过程都和温度息息 相关。2 0 0 0 年4 月和7 月分别在美国和英国召丌的“国际火灾工程高级论坛 ( i n t e r n a t i o n a lf o r u mw o r k s h o po nf i r ee n g i n e e r i n g ) 会上，与会代表们一致 同意将温度、速度等参数确定为火灾安全科学研究中必须通过实验测量获取的主 要参数 5 0 】。准确地测量和控制温度，对于获得正确的科研数据和保证产品质量 都是十分重要的。 具体而言，温度测量的重要性主要有五点： 1 ) 温度是表征灾害现象的一个重要参数，由温度信息可以获知比如燃烧效 率和预测辐射热反馈等信息。 2 ) 通过温度测量可以考查和分析火灾等灾害现象发生、发展的原因。 3 ) 温度是热释放速率的一种间接表征。 4 ) 火灾蔓延、热变形和人员烧伤等火灾事故都与温度的变化有很大的关系。 5 ) 在理论模拟研究中，温度作为最初始的输入参数必不可少。 因此测量封闭空间燃烧实验过程中空问内的温度变化，对研究火灾行为规律 有重要意义。 其次，烟气在火灾中具有重大的危害，对于火灾的蔓延，发展扩大具有重要 作用。如何确定烟气层的界面及烟气达到的位置是火灾安全工程中的一个重要研 究内容。目前火灾研究工作者对于烟气运动的测量采用的手段主要三种，一为热 电偶测温法，一为目测法，一为摄像法 5 l 】。热电偶测温法是通过测量纵向上的 温度场分布间接判断，目测法是根据指示标尺上的数值直接判断，摄像法通过摄 像拍摄烟气的运动过程从而判断烟气运动。其中热电偶测温法采用微机采集数 据，较为定量，并且可以实现远距离控制，在小尺度实验中广泛应用。因此本研 究通过采用热电偶测量实验舱内温度变化来判断烟气运动。 本文通过测量燃烧过程中空问气体温度随时问的变化，为分析封闭空间烟气 分布特性和温度场分布提供直接的数据支持。 9 第1 章绪论 1 3 3 烟气测量的意义 国内外大量的火灾实例表明，火灾烟气是导致人员伤亡的最主要因素，大约 5 0 的人员伤亡是由烟气中的c o 中毒引起的，其余则由烧伤、爆炸及其他有毒 气体引起 5 0 】。被烧死的人员中，多数也是受烟毒晕倒后烧死的，这足以说明火 灾发生的烟气危害性是何等严重【5 2 】。因此研究火灾中的烟气运动规律对减少火 灾损失具有重大意义。 1 4 研究内容与技术路线 本文以庚烷为燃料，在一个密闭的舱室中进行了火灾行为研究，重点研究封 闭空间火灾的烟气运动规律，探索封闭空间火灾的烟气温度分布特性，以期建立 封闭空间火灾温度场模型。 本文主要通过实验研究、理论分析和类比的方法揭示封闭空间火灾的烟气运 动规律和温度空间分布。通过实验观察，发现封闭空间烟气运动特点；通过对实 验数据的分析，归纳封闭空问烟气温度分布特性；通过理论分析，解释封闭空间 火灾发生的机理和规律。因此主要工作包括： 1 ) 调研相关文献，了解国内外研究现状，确定相关研究基础，结合前人的 研究基础和局限性确定研究方向和目标，进行有针对性的研究。 2 ) 设计封闭空问火灾试验装置和测量系统。 3 ) 进行无开v i 封闭空间火灾实验研究。 4 ) 分析处理实验数据，总结规律。 5 ) 从理论出发，对出现的现象和规律给出合理解释，探讨其发生的机理。 6 ) 给出相关的结论，提出未来可进一步研究的问题。 1 5 章节安排 l o 文共分为5 章： 第一章为绪论。 第二章为封闭空间火灾气体温度分布特性实验方法。 第三章为全封闭舱室火灾气体温度分布特性。 第四章为封闭舱室火灾烟气运动研究。 第五章为结论及展望。 第2 章封闭空间火灾气体温度分布特性实验方法 第2 章封闭空间火灾气体温度分布特性实验方法 2 1引言 实验研究是科学研究最为重要的研究手段之一，重视实验研究一向是科研工 作者们的共识。“理论指导实践，实践是检验真理的唯一标准”以及“实践、实 践、再实践”均体现了科学实验的重要性 5 0 】。实验研究既为人们认识自然现象、 挖掘科学规律提供了捷径，也为其它研究手段诸如理论分析、数值模拟等提供验 证和数据支持。在火灾科学实验研究中需根据研究对象的实际情况，在特定的环 境条件下遵循一定的实验方法在适当的实验装置中进行。为了对封闭空间火灾现 象及行为进行深入研究，本文设计了封闭空间火灾实验系统。本章将详细介绍实 验系统的组成以及各参量的测试方法。 2 2 实验系统 实验系统包括实验舱体、火源和测试系统三大部分。本文的实验舱体指进行 燃烧实验的封闭舱室空间，实验采用不同大小的庚烷池火作为火源，使用电子火 花点火器进行点火，测试系统包括温度测试系统和温度采集系统等。实验系统总 体布置如图2 1 。 第2 章封闭空间火灾气体温度分布特性实验方法 a 平面示意图 b 。立面示意图 图2 1 实验系统布置示意图 9 距壁面5 m n ) 距壁面5 0 皿n ) 距壁面2 5 0 m b ) 燃料池为边沿高度为4 0 m m 的圆形钢池，内直径分为l o o m m 、1 4 1 m m 、2 0 0 m m 和3 0 0 m m 四种型号。舱室的顶面一个角有可以变化尺寸的矩形丌口，尺寸可以 由o m m x o m m 扩大到3 0 0 m m x 3 0 0 m m ，边长每5 0 m m 变化一次，共7 种开口条 件。图中标为6 号的观察窗为钢化玻璃，处于舱室正面，用来观测试验现象及摄 像。实验舱内一共布置了3 树热电偶来测试舱内烟气的温度。一号热电偶树位于 侧面的中心线上，离壁面的距离为5 m m ，用来测量壁面处的烟气温度：二号热 电偶树位于无开口的舱内拐角，离壁面的距离为5 0 m m ：三号热电偶树，位于另 一侧面的中心线上，与一号热电偶树正对，离壁面的距离为2 5 0 m m ，用来测量 舱室中间位置烟气温度变化。具体的热电偶布置示意图如图2 2 所示。 1 2 ( ( ( 线 口树树树 导统 开偶偶偶 偿系 禳电电电平补集速瑗热热热窗天傣采 辩交号号号蔫子电度 燃可| i lij一瑰电热涩 第2 幸封糊空问火灾气体温度分布特性实验疗法 3 号热电偶树2 号热电偶树 1 号热电儡树 23 实验舱室 1 0 00 c m 图22 实验蛇内热电偶布置阁 自人关于通协l 严重受限的封闭空问火灾实验研究，基本上都是在小尺度封闭 空间进行的。本文的实验也选在一个空问体积为o7 5 m 3 的小尺度封闭空叫模型 内进行。通过改变油盘直径柬政变火源夫小，变化顶棚开f 1 面积柬改变通肛【条件， 研究不嗣工况f 的火灾情况。 实验舱的内尺、j 为1 0 0 0 r a m ( l ) x 1 0 0 0 m m ( w ) x 7 5 0 m m ( h ) ，正丽为5 m m 厚度 的铜化玻璃，用柬观测火焰形态，其余5 个侧面按船舶a 6 0 结构建造，以便确 定壁面传热。舱内所有缝隙采用密封胶填充。模型的项部一角可以丌扁不同尺寸 的丌口。在模型舱的侧面和后而离边角5 0 m m 的垂直线卜每隔5 0 m m 开一个 测量孔，测量孔可靠置可密封的热电偶、气体采样探头，不需要靠置测量仪器时 可用螺杜密封。图23 和图24 分别为实验燃烧舱和系统控制台的实物图。 第2 章封空间火炎气体温度分布特性实验方法 am 血和m 面 圈23 实验燃烧舱实物蚓 b 背面 24 火源场景设计 图24 实验系统控制台外观 241 船舶舱室火灾场景 船舶舱室的火灾荷载以固体可燃物和液体可燃物为主，囡而也以a 类火灾 和b 类火灾为主，与陆上建筑守间不同，船舶舱窀尤其机舱常常装载大量的液 奋燃油，液态燃油一般比较易燃，蔓延快因而通常更具危险性，因此b 类火灾 更为典型。船舶舱室中的液态燃料火灾按火源的形式柬分，则可以进一步分为池 火和喷射火。在船舶舱室中不可避免地存在油料存储器j i l 或输油管路，当油料存 储器皿或输油管路内的油料泄漏舱底板并被高温热源点燃，就形成了池火；喷射 火则主要是燃油从破裂的高压管道中喷射出来，并被高温热源点燃而芨生。 无开口封闭空b j 火灾和顶棚有开口的封伢j 卒日j 火灾是船舶机舱等舱室的两 第2 章封闭空间火灾气体温度分布特性实验方法 类典型火灾场景。以机舱为代表的船舶舱室通常是一种没有垂直开口( 墙刀：口) 的空间，上下连通的水平开口是船舶舱室常见