船舶机舱火灾及人员逃生仿真研究可复制黏贴 优秀毕业论文.pdf

学校代码： 10289 分类号： u698.4 密 级： 公 开 学 号： 092010042 江苏科技大学江苏科技大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 船舶机舱火灾及人员逃生仿真研究船舶机舱火灾及人员逃生仿真研究 研 究 生 姓 名 刘景敏 导 师 姓 名 苏苏 石石 川川 申请学位类别 工学硕士 学位授予单位 江江 苏苏 科科 技技 大大 学学 学 科 专 业 轮机工程 论文提交日期 2011 年年 12 月月 23 日日 研 究 方 向 船舶机舱安全船舶机舱安全 论文答辩日期 2012 年年 3 月月 15 日日 答辩委员会主席 陈宁 评 阅 人 2012 年 3 月 船 舶 机 舱 火 灾 及 人 员 逃 生 仿 真 研 究 船 舶 机 舱 火 灾 及 人 员 逃 生 仿 真 研 究 刘 景 敏 江 苏 科 技 大 学 分类号： u698.4 密 级： 公 开 学 号： 092010042 工学 硕士学位论文 船舶机舱火灾及人员逃生仿真研究船舶机舱火灾及人员逃生仿真研究 学生姓名 刘景敏 指导教师 苏石川 教授 江苏科技大学 二 o 一二年三月 a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering numerical simulation of ship engine-room fire and personnel escape in the fire submitted by liu jing-min supervised by su shi-chuan jiangsu university of science and technology march, 2012 江苏科技大学学位论文原创性声明江苏科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 江苏科技大学学位论文版权使用授权书江苏科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。 本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入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 和汇编本学位论文。 本学位论文属于： (1)保密，在 年解密后适用本授权书。 (2)不保密。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 摘要 i 摘要 建筑火灾中人员的逃生的研究目前已经相对比较完善，但对船舶火灾及火灾中人 员的逃生的研究还处于发展的初始阶段。随着船舶在社会经济中的地位的不断上升， 对船舶火灾及火灾中人员逃生的研究已经成为船舶消防安全设计的迫切需要，因此对 船舶火灾及火灾中人员逃生的研究具有十分重要的意义。 本文在船舶机舱火灾及火灾机理课题的研究的基础上，进一步研究了机舱火灾 中烟气浓度场、温度场对机舱火灾中人员逃生的影响。以 fds+evac 软件为平台，分 别采用大涡模拟(les)的湍流流动模型和 helbing 等提出的社会力模型，对船舶机舱火 灾动力过程和火灾中人员逃生运动进行仿真研究。 利用燃烧化学反应的质量输运方程、 能量输运方程、气体状态方程，结合化学燃烧化学反应过程中化学组分守恒，化学元 素质量守恒等定理，对船舶火灾中人员逃生运动进行研究。分析了不同高度热烟气人 员逃生时间的影响并对烟气变化与人员逃生速度的相关度进行了分析，其结果表明舱 内热烟气在火灾发生 195s 后对人员安全构成威胁， 并且随着烟气密度(mg/m3)的增加， 逃生速度以 -3 100.94-的斜率不断下降，烟气密度上升到 1.28g/m3 时逃生速度达到最 小值 0.12m/s，并且随着烟气密度的增大，人员的逃生速度从初始逃生时的 1.1m/s 左 右，下降到 0.7m/s 左右。 在考虑火灾探测时间、人员对火灾信号的反应时间的前提下，分析了人员的危险 来临时间及可用逃生时间， 计算结果表明火灾发生后 60s 感烟探测器探测的火灾信号， 由于人员反应时间受许多不确定因素的影响，本文参照工业厂房火灾时人员的反应时 间取 1020s，即人员开始逃生的时间为火灾发生 7080s 时。同时，通过分析机舱内 co2浓度、co 浓度和舱内温度得出火灾中人员的危险来临时间为 195s，即人员的可 用逃生时间仅为 115s125s。 最后，针对计算结果，提出了机舱结构及设备布置存在的问题，为类似化学品船 机舱结构布置和优化提供重要的参考依据。因此本文的研究结果能为船舶消防系统及 船舶机舱布置的优化设计提供重要的参考依据。 关键词 机舱火灾；逃生速度；火灾探测时间；危险来临时间；可用逃生时间 江苏科技大学工学硕士学位论文 ii abstract iii abstract at present, the research on personnel evacuation in building fire has relatively perfect and mature, but the research on ship fire and personnel evacuation in ship fire are still at the initial stage. the research on ship fire and personnel evacuation in it has became the urgent need about ship fighting design, with the ships increasing important role in social economy. so the research on ship fire and personnel evacuation has great significance. at the basic of the research project ship engine room fire and fire mechanism, the author has made a further study about the smoke concentration field and temperature field in the engine-room fire and their influence on personnel escape. the large eddy simulation turbulent flow model and social force model based on panic were used respectively to simulate the fire developed process and personnel escape in a certain chemical tankers engine-room, when fire was occurred. to study the movement of personnel escape in ship fire, the mass and species transport equation, the energy transport equation and the gas equation of state, combined with the theorems such as chemical composition of conservation, mass conservation of chemical elements, were used. the simulation results showed that the escape velocity decreased with the increase of soot density (mg/m3), as a slope of -0.94 10-3 and evacuees evacuative velocity decreased to 0.7m/s from 1.18m/s, by analyzing the hot smokes influence on escape time and the degree of correlation between smoke density and escape velocity. the dangerous advent time and the available safe egress time were analyzed，through considering fire detection time and the response time of people to the fire. the calculated results showed that the fire detective time was 60 seconds, the response time of people to the fire was normal distribution between 10 and 20 (reference from the response time of personnel in industrial workshop fire). and that means the time when the person begin to escape was 7080s. at the same time, we obtained the dangerous advent time was 195s, by analyzing the distribution of co2 concentration, co concentration and temperature in engine room. finally, the problem of cabin structure and equipment arrangement was proposed according to the calculated results, and it provide important reference basis for the arrangement and optimizing of similar chemical tanker cabin structure. keywords engine-room fire; evacuative time; fire detective time; dangerous advent time; evacuative time 江苏科技大学工学硕士学位论文 iv 目录 v 目录 摘要 . i abstract . iii 第一章 绪论 . 1 1.1 研究的背景、目的及意义 . 1 1.1.1 研究背景 . 1 1.1.2 研究的目的及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 国内研究现状 . 2 1.2.2 国外研究现状 . 3 1.3 研究内容与研究方法 . 4 1.4 本章小结 . 5 第二章 数学模型 . 6 2.1 舱内燃烧的数学模型 . 6 2.1.1 流体动力学方程 . 6 2.1.2 混合分数燃烧方程 . 9 2.2 热辐射 . 14 2.3 人员逃生的数学模型 . 16 2.3.1 人体的运动模型 . 16 2.3.2 火灾和人员的相互作用 . 20 2.3.3 数值计算 . 21 2.4 本章小结 . 22 第三章 机舱物理模型的建立 . 23 3.1 船舶机舱模型 . 23 3.2 机舱模型简化 . 26 3.3 计算区域网格划分 . 28 3.3.1 火灾网格划分 . 29 3.3.2 逃生网格 . 29 3.4 边界条件及火源 . 30 3.4.1 边界条件设定 . 30 3.4.2 火源设定 . 31 3.5 本章小结 . 32 第四章 火灾烟气对人员逃生的影响 . 33 江苏科技大学工学硕士学位论文 vi 4.1 火灾烟气对人的危害 . 33 4.2 机舱内火灾烟气的分布 . 33 4.3 火灾烟气对人员逃生的影响分析 . 36 4.4 本章小结 . 40 第五章 机舱火灾人员逃生分析 . 42 5.1 逃生行为开始时间 . 42 5.2 逃生路径选择 . 43 5.3 烟气与逃生速度的相关度分析 . 44 5.4 逃生人数 . 46 5.5 本章小结 . 47 第六章 结论与展望 . 49 6.1 结论 . 49 6.2 展望 . 50 参考文献 . 51 攻读学位期间发表的论文 . 56 致谢 . 58 contentscontents vii contenes abstract(chinese) . i abstract(english) . iii chapter 1 introduction . 1 1.1 research background, purpose and significance . 1 1.1.1 research background . 1 1.1.2 research background and significance . 1 1.2 current research at home and abroad . 2 1.2.1 domestic research stituation. 2 1.2.2 overseas research stituation . 3 1.3 research concents and methods . 4 1.4 chapter summary . 5 chapter 2 mathematical model . 6 2.1 mathematical model of combustion in engine-room . 6 2.1.1 fluid dynamics equation . 6 2.1.2 mixture fraction combustion model . 9 2.2 thermal radiation model . 14 2.3 theoretical basis for the evacuation model . 16 2.3.1 agent move model . 16 2.3.2 fire and human interaction . 20 2.3.3 numerical method . 21 2.4 chapter summary . 22 chapter 3 foundation of one ship engine room model . 23 3.1 model of ship engine-room . 23 3.2 simplified of ship engine-room model . 26 3.3 grids generation . 28 3.3.1 fire meshes . 29 3.3.2 evacuation meshes . 29 3.4 boundary conditions and fire source . 30 3.4.1 set boundary conditions . 30 3.4.2 set fire source . 31 3.5 chapter summary . 32 chapter 4 the influence on personnel evacuation of fire smoke . 33 江苏科技大学工学硕士学位论文 viii 4.1 the damage of fire smoke to people . 33 4.2 the distribution of fire smoke . 33 4.3the analysis of fire smoke influence onpersonnel escape . 36 4.4 chapter summary . 40 chapter 5 analysis of personnel evacuation in engine-room fire . 42 5.1 beginning time of evacuation behavior . 42 5.2 evacuaition route . 43 5.3correlative desree analysis of fire smoke and eacape velocity . 44 5.4 evacuees . 46 5.5 chapter summary . 47 chapter 6 conclusion and forecast . 49 6.1 conclusion . 49 6.2 forecast . 50 reference . 51 papers published during masters degree . 56 acknowledgement . 58 第一章 绪论 1 第一章 绪论 船舶有水上建筑的称号，随着海洋运输业的发展，它在国民经济中的作用日益 增加，船舶火灾也因此越来越受到重视和关注。船舶火灾是世界上公认的最难扑救的 火灾之一，是船舶海难中常见切危险性较大的一种事故123。 1.1 研究的背景、目的及意义研究的背景、目的及意义 1.1.1 研究背景 船舶既有高层建筑的高度，又有地下建筑的特点，还有化工火灾的复杂，是集高 层火灾、地下火灾、化工火灾、人员密集场所火灾、仓库火灾于一体的火灾类型，并 且船舶结构复杂、火灾载荷大，是一种相当复杂的火灾类型。 船舶机舱作为特殊的受限空间，内部结构复杂，舱内通道狭窄，其火灾过程又具 有热负荷大，传热快等特性4，一旦发生火灾，火焰将迅速蔓延，机舱内部温度和烟 气浓度迅速上升，能见度降低，人员的可用逃生时间较短，在短时间内可对人员安全 构成威胁。并且船舶机舱火灾逃生方式与一般建筑逃生不同，它是由低层到高层的逃 生 （从舱底或机舱平台舱室到船舶上甲板逃生） ， 而火灾场中所产生的热烟气在热驱力 的作用下聚集于顶棚中，这就对低层人员的逃生产生不利的因素，因此对船舶机舱火 灾人员逃生的研究具有十分重要的意义。 1.1.2 研究的目的及意义 对于特定的研究对象，采用计算机软件对火灾及火灾中人员逃生情况进行仿真研 究，获得火灾中的一些重要参数，可有效地指导人员逃生5。 由于船舶火灾实验的代价太高， 且不同的船型舱室布置均不相同， 根据一种船型 做实验得出的结果并不能拓展应用于其他船型，目前国内基本没有关于船舶火灾逃生 的实验。应用计算机软件能够对船舶火灾及各舱室人员运动的情况进行仿真研究，并 且能够根据仿真计算结果分析船舶舱室火灾逃生时逃生通道布置的合理性等。本课题 以 fds+evac 火灾逃生软件6为平台，同步模拟船舶舱室火灾发展和火场中人员的逃 生情况。本课题的研究对船舶舱室火灾及逃生的研究具有重要的现实意义： (1) 可以拓展火灾逃生研究的新领域； (2) 减少火灾中人员逃生的时间减少人员伤亡，为船舶舱室内的设备布置提供参考依 据； 江苏科技大学工学硕士学位论文 2 (3) 设计出合理的逃生路径，为船舶火灾零伤亡的目标提供有力的参考依据。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 对于火灾逃生的研究始于二十世纪初，并从二十世纪七十年代起开始受到各国官 方科学基金的大规模资助，主要研究方向集中于火灾中个体行为心理、集群行为研究 和人的逃生行为能力研究等，并取得了一定的成果，但这些研究主要是针对陆上建筑 火灾中的人员逃生的研究，船舶火灾逃生的研究还很少。 1.2.1 国内研究现状 国内学者对于船舶火灾的研究还主要局限在传统层次的经验研究和火灾科学层次 的研究。如王左7，通过慧泉和隆林两艘货船火灾事件的评析，指出我国传统的船 舶消防管理机制已不适应现代航运的发展，提出仿神经系统建立新的管理机制；姜 晓燕8根据模糊数学的思想和方法，建立了舰船机舱消防安全模糊综合评价方法，并 用层次分析法全面分析了影响舰船机舱消防安全的各种因素；张春来9利用可靠性中 故障树分析法分析了由人为失误和硬件失效引发的机舱火灾事故；中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室在1995年对船舶火灾烟气沿通道蔓延特征的计算机模拟进行 了研究10；2001年对船舶机舱着火机理进行了实验与数值模拟研究。哈尔滨工程大学 邹高万4对船舶机舱火灾热流场特性进行了研究，分析舱内热流场的分布规律。这些 研究为进一步开展船舶火灾灭火新技术以及船舶火灾消防安全评估理论的研究打下了 坚实的理论和实验基础，对船舶机舱防火设计和消防管理具有重要的应用价值，大大 的推动了我国船舶消防技术的发展。 江苏科技大学自2008年以来在苏石川教授的指导下开展了对船舶机舱火灾及火灾 机理的前期研究工作，主要对舱内各种流场的分布、火灾中火焰特殊行为的特性进行 了深入的研究，现已在中国造船、中国安全科学学报杂志发表论文10余篇，其中中文 核心7篇，sci 1篇，ei 1篇，istp 1篇，并从2010年开始对船舶机舱火灾中人员的逃生 进行研究。这些研究对推进我国船舶火灾的研究和发展有一定的指导作用。 虽然对于人员逃生的研究已经取得了较多的研究成果，但目前为止这些研究主要 是针对陆上建筑，专门针对船舶火灾逃生的研究还很少。到目前为止，国内拥有安全 工程专业的高等院校都或多或少地对火灾中人员的逃生运动进行了研究，如中国科学 技术大学火灾实验室，西安建筑科技大学，同济大学，北京交通大学，香港城市大学 等。张培红等11通过对多处人员流动状态的实际观测，建立了离散状态人员逃生行动 的计算机模拟模型shebr-sgem；张树平12等调查了一百多起火灾，对火灾发生时人 员所处的环境状态、人员逃生行为等进行了理论研究。 第一章 绪论 3 2002年开始，国内学者开始了紧急状况下人员的逃生运动的计算机模拟研究的热 潮，并取得了一定的成果。中国科学技术大学的杨立中教授等13利用元胞自动机模型 对逃生过程中的从众行为14、亲情行为15、建筑物出口动力学特征16、信息传播17 等进行了深入的探讨；宋卫国教授等提出了利用多作用力元胞自