摘要：舰船起火时经常采用封舰灭火的方法，因此对封闭舱室起火条件下烟气特性进行分析有重要的现实意义。本文主要分析了封闭舱室中火灾发展情况以及烟气特性，构建与封闭舱室火灾相关的一系列模型，包括一氧化碳浓度模型、舱室温度模型、熄火时间模型以及烟气高度模型，为了保证模型的准确性，运用算例进行验证，结果显示，上述模型可以用于分析封闭舱室火灾烟气的流动特性与生成特性，有利于封舰灭火情况下的损害管制。
关键词：烟气特性；封舱灭火；模型；火灾
舰船内部结构复杂，并且火灾载荷较为集中，火灾发生后将迅速蔓延，造成严重的经济损失与人员伤亡，也会影响舰船的使用年限。为了有效防止舰船火灾，延长舰船的使用年限，需要深入研究舰船火灾发生规律，制定防治措施。舰船火灾发生后，烟气的存在将增大火势，进而增加伤亡人数，对烟气的生成特点与流动特点进行分析能够指导人员逃生，帮助迅速灭火。本文的研究对象为某舰船中的小规模舱室，主要分析烟气生成规律、烟气毒性与温度特性以及火灾熄灭模型，以其推动舰船消防工作的发展。
1 封闭舱室火灾的产生与发展
封舱灭火初期，舱室上方中充满温度较高的烟气，下方充满温度较低的空气，上层与下层间有一过渡层。随着火势的逐渐扩大，烟气会充满整个舱室，这时可以依据烟气浓度将舱室分成稀烟气层与密烟气层，前者内部温度有一定的梯度，后者内部温度相同，依据双区域模型研究烟气特性并不全面。火灾情况稳定时会产生循环卷吸的情况：稀烟气层内部温度不断升高，密烟气层厚度不断增加，最终烟气会达到平衡状态，这并不意味着烟气静止，而是指动态平衡。起初，封闭舱室内火灾的主要影响因素为燃料，随着火势的增大，其影响因素转变为氧气，而氧气含量有限，火灾最终会熄灭。
为构建舱室火灾的相关模型，本次研究做出以下假设：
一：不考虑烟气的顶棚射流和羽流上升的过程，烟气从顶棚直接扩散至舱室底部。
二：假定火源热释放率不会增长，该值固定不变。
三：假定O2体积分数为12%时熄火。
四：不考虑火灾发生引起气体质量的增加值m与原有空气质量之比，也就是说ρ0=ρ-。
2 舱室火灾烟气特性
2.1CO浓度
烟气具备毒性，其中含有HCN、HCl、CO、HF等有毒物质。相关研究显示，若CO浓度大于100ppm，就会出现头晕、乏力等症状；若浓度大于600ppm，人体会在短时间内因窒息而死亡。在火灾中去世的人多数是由于CO中毒造成的，所以对烟气组成及相关浓度展开研究十分重要，特别是分析并预测CO浓度。
本次研究利用CER理论采用组成物质生成率Yco与燃空比φ 间的关系分析并预测火灾烟气组成物质的产生量。其中燃空比指的是燃料消耗量与气体质量的比值除以二者的当量比值。
数据显示：稳定燃烧时期，烟气主要组成物质的产生量与消耗量保持不便，不受火焰结构的影响；火灾发展时，烟气组成成分受烟气层温度的影响，不受隔热情况与墙体属性的影响。
稳定燃烧时期CO的产生率用舱室内充满烟气时CO的产生率来表示，之后分析CO的生成量。
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2.2 温度分布
随着火灾迅速蔓延，舱室内部很快充满火灾烟气，而舱室底部覆盖有隔热棉，所以为了研究温度分布情况，本文主要对舱室气体进行研究，不考虑舱室底部传热以及舱室内温度的改变（舱室内气体会发生相互作用，因此垂直方向上烟气变化较小），通过单区域模拟构建能量守恒方程。
3 算例分析
本次研究对象为某舰船的小规模舱室，燃料选为庚烷，对其烟气特性开展相关研究，构建以Matlab为基础的理论模型。封闭舱室内长度为1m，宽度为1m，高度为0.75m，舱壁结构满足A60标准，气体密度ρ0=1.1763kg/m3，Cp= 1.007kJ/（kggK），T0=300K。
本文主要利用Matlab7.0软件研究封闭舱室内火灾烟气特性，重点分析舱室CO浓度、舱室温度、火灾熄灭时间以及火灾空气高度，获得了随着时间变化CO浓度、CO生成率以及空气高度的变化曲线。该模型得到的结果符合相同条件下舱室内庚烷燃烧的实际情况，具备应用价值。
（1）利用火灾熄灭模型可以发现火灾熄灭时间符合下列不等式：301s≤tE≤441s。
（2）随着火势的增大空气高度不断降低，本次研究中空气高度为0.01m时表明烟气已经充满整个舱室（通常情况下，油盘高约0.01m）。结果显示60s时舱室内充满烟气。
（3）随着火灾的发展，CO生成率一开始呈降低趋势，后来保持不变，而CO浓度在逐步上升。熄火时，2242ppm＜CO浓度＜3289ppm 。
（4）分析烟气温度特性可以发现温度T=359K时火灾熄灭。随着舱室火灾的发展，60s时底部空气的温度开始增加；之后，由于压力、浮力、循环卷吸的共同作用气体逐渐混合，形成双区域模型，即稀烟气层与密烟气层，此时已经进入稳定燃烧时期；熄火时，烟气温度平均为359K。
由上文分析可得，封闭舱室火灾发展迅速，容易产生有毒物质，火场温度高。火灾刚刚产生时，烟气特性的各个参数低，因此加强火灾监测有利于及时扑灭初火，保护舰船不受损伤。若初火未得到扑灭，应组织人员逃生，运用封舱灭火的方法避免火灾蔓延。值得注意的是，火灾熄灭后不可以马上把舱门打开，因为此时空气中包含许多有毒气体，且环境温度过高，若与空气接触很可能继续复燃，增大火灾控制难度。
结论
本文主要分析封闭舱室内火灾烟气特性，为舰船灭火提供一定的参考。舰船发生火灾后经常采用封舱灭火的方法，该方法在熄灭火灾方面有重要作用。火灾发生后，及时引导人员疏散，进行封舱灭火；火灾熄灭后不可以直接把舱门打开，以免火灾复燃。本次研究基础为庚烷质量损失率不会发生变化，其与实际情况存在一定的偏差，之后需要对密闭空间火灾发生情况进行更为深入的研究。
参考文献
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作者简介
刘芃澎（1985-02），男，汉族，籍贯：山西平遥。
论文作者:刘芃澎,傅诚
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/25
标签：舱室论文; 烟气论文; 火灾论文; 舰船论文; 温度论文; 特性论文; 模型论文; 《电力设备》2017年第25期论文;