摘 要

船舶火灾是最难扑救的火灾之一，机舱位于船舶底部，且属于高大密闭空间的一种，发生火灾事故后更是难以控制。本文利用火灾仿真动态模拟软件FDS，建立船舶机舱的高大密闭空间模型，对机械通风的烟气控制效果进行了数值模拟。

论文主要研究了在不同补风速率条件下，火灾发展到稳定阶段，机舱内各处的温度分布规律以及烟气层蔓延填充高度与时间的关系，并对模拟计算获得的数据进行分析。

研究结果表明，机械补风对船舶机舱火灾烟气控制有一定的效果，当只在一侧补风时，在不造成烟气紊乱的前提下，增大补风量可以更有效的降低机舱内的温度，降低烟气填充速度，达到较好的控烟效果；但是当补风速率较大时，会导致烟气紊乱，烟气填充速度变快，控烟效果反而有所下降。当相对两侧同时补风时，导致火源功率变大，使火场内整体温度有所上升，但是烟气的填充速度会有所减慢，烟气控制效果也较好。

关键词：船舶机舱；船舶火灾；数值模拟；机械通风；烟气控制

Abstract

Ship fire is one of the hardest fighting fire in the world，the cabin is located in the bottom of the ship and belongs to tall airtight space，so it is more difficult to control after the fire accident. In this paper，using FDS simulation software build a tall airtight space of the ship cabin and simulate the effect of mechanical ventilation on smoke control.

This paper mainly studies the distribution of the temperature and the relations of the smoke layer spread height and time in the cabin under the conditions of different make-up air rate when the fire developed to stable stage，and analysis the simulation date.

The results show that the mechanical make-up air has some effect on smoke control of the ship engine room fire .When the air make-up on only at one side without causing smoke disorder，increasing the filling volume can be more effective to reduce the engine-room temperature and the smoke filling rate，which has good control effect.But when the make-up air rate is larger，the smoke is disordered and the smoke filling rate increases.When air make-up on at opposite sides in the meantime，the fire seat power increases and causes the cabin temperature increased evidently，but the smoke filling rate will be slowed down and the smoke control are better.

Key Words：ship engine room；ship fire；numerical simulation；mechanical ventilation；smoke control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 计算机软件模拟 2

1.2.2 火羽流与火灾温度场分布规律 2

1.2.3 烟气蔓延规律及烟气控制 3

1.3 课题研究内容及章节安排 3

第2章 实验模拟工况设定 5

2.1 模拟软件 5

2.2 船舶机舱模型构建 5

2.3 模拟工况设定 6

2.3.1 火源设定 6

2.3.2 风况设定 6

2.4 模拟测量参数 7

2.4.1 温度分布 7

2.4.2 烟气层高度下降时间 8

2.5 本章小结 8

第3章 补风速率对烟控效果的影响 9

3.1 火源上方轴线温度分布 9

3.2 顶棚温度分布 10

3.3 墙侧竖直方向温度分布 12

3.4 烟气层高度变化 13

3.5 本章小结 14

第4章 结论与展望 15

4.1 结论 15

4.2 展望 15

参考文献 17

致谢 18

绪论

课题研究背景与意义

随着全球化的不断推动，世界船舶业的发展已趋于稳定，同时船舶在海洋运输、军事方面都占有重要地位。我国是一个拥有船舶数量较大的国家，已超过数百万只。火灾事故是船舶事故中危害最大的事故之一，据统计，船舶火灾事故发生频率不高，但船舶火灾造成的损失在船舶事故中排在首位。1992-1995年间，我国共发生船舶火灾事故100余起，造成的直接经济损失高达7000万元^[1]。

船舶火灾会对船体、船上航员以及运载货品和设备的安全造成威胁，最可怕的是会造成船员伤亡和船体沉没，尤其化学物品运输船对环境的破坏是相当大的。船舶火灾事故危害很大主要是由两方面的原因造成的，一方面船舶火灾基本靠自救，获得外部救援的可能性很小，而船上现有的人力和救援设备有限；另一方面船体内部结构复杂、分仓较多、货物堆积较密，消防器材不能充分利用，导致火灾救援严重受阻。机舱位于船体底部，是船舶的动力部位，贮存许多柴油及其他燃料和各种运转着的机器和电气设备，一旦疏忽，机舱很容易起火。

就目前来看，船舶火灾发生的频率较大，例如：2009年12月份，Aegean Wind号运货船机舱起火，造成了9名工作人员死亡；2011年7月，一艘5000吨运输船在苏澳码头船厂内由于在机舱内使用气割引发爆炸并产生二次爆燃，造成12人受伤；2014年12月，“MS Insignia”号游轮发生机舱火灾事故，造成了3人死；2014年9月，一艘自轮船在厦门港锚地锚泊时，由于机舱内的电缆发生短路，造成机舱火灾事故，带来了巨大的经济损失^[2]。通过对一些案例的分析，可以发现船舶火灾事故的一个共性，基本上是由机舱起火引起的，这与机舱的位置和功能有重大关系。不仅如此，船舶机舱火灾还有一些特性：

1. 船舶机舱火灾发生率高。船舶机舱是船舶的动力，机舱内的燃油储量很大，极易发生火灾。
2. 蔓延速度快，规模较大。船舶机舱属于高大空间，防火分隔难以发挥有效作用；另外，船舶机舱发生的往往是油类火灾，二者结合使得机舱火灾能够迅速蔓延，导致大规模火灾事故
3. 烟气量大，能见度低。船舶机舱空间毕竟有限，燃油未能充分燃烧，产生大量黑烟，迅速减低机舱能见度。
4. 散热困难。机舱处于船舶底部，主要依赖排烟系统向机舱顶部排烟，通风比较困难，导致烟气难以及时排除积聚舱内，使舱内温度迅速升高。
5. 外部救援困难。船舶离陆地较远，发生火灾基本靠自救，而且机舱内部结构复杂，很难实施有效地救援措施。

为了降低船舶火灾造成经济损失，有必要加强对船舶火灾的防范工作，特别是对船舶机舱起火的防治。因此，开展对船舶火灾特性和烟气控制研究具有重大意义，本课题我们将对不同补风速率对船舶机舱的烟气控制效果进行研究。

国内外研究现状

自1982年“谢菲尔德”号驱逐舰火灾事故之后，船舶火灾安全引起了各国学者的关注，开始进行系统的研究。经过数十年的发展，船舶消防安全已取得较大的发展，尤其是计算机领域在船舶消防安全应用，如我们比较熟悉的计算机模拟程序DC-SM和CFAST以及火灾模拟软件PyroSim。目前国内外关于船舶机舱或者类似机舱结构的高大空间火灾的研究主要集中在火羽流及火灾温度场分布规律和烟气蔓延规律及烟气控制等方面。

计算机软件模拟

对于计算机软件在船舶火灾上的研究，我国取得了一些研究成果，如：中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的董华等人，1995年他们采用区域模拟的方法对船舶火灾烟气沿通道蔓延的热物理特性进行了计算机模拟^[3]；2005年，李国强为了分析烟气层的一般特性，采用了区域模拟的方法对高大空间火灾进行了计算机模拟，分析得出了随着空间面积的增大，烟气层下降固定高度所需时间会变长的结论^[4]；2011年苏石川等使用FDS软件采用大涡模拟的方法对机舱火灾发展过程进行模拟计算，分析得出了不同时刻和高度时烟气运动的变化规律，以及舱内温度场、烟气质量浓度分布的分布规律^[5]。

国外对船舶机舱烟气运动模拟也取得一些研究成果，如：美国的海军研究学院1995年开始研究区域模拟程序CFAST在船舶火灾中的应用，并对程序进行了充实和改进，使其更加适合船舶火灾的特点和计算要求^[6]；2001年8月开发了针对船舶损伤、火焰和烟气的蔓延、船体外壳的破裂、火灾导致主要管道的破裂、各仓层进水、备用监控系统和船舶稳固性的损伤控制计算机模拟程序DC-SM，这个程序可以提供详细的说明和实时模拟数据，可以同时模拟不同的救灾方式发展趋势，对船舶消防安全评估起到了很大的促进作用^[7]；2001年，Farman对强迫逆向空气流下船舶烟气蔓延进行了数值模拟研究，模拟对象包含一个方形客舱和相邻的L形通道，结果与美国海军实验室的SHADWELL号实验结果相符合^[8]。

火羽流及火灾温度分布规律

物质在燃烧过程中会产生大量热烟气，在热浮力的作用下烟气会不停向上运动，同时烟气会从周围不断的卷吸进冷空气，导致烟气量越来越多，温度越来越低，在这个过程中浮力引起的流动包括火焰中的任何流动都称为火羽流。通过火羽流的定义可以看出热烟气与冷空气之间的能量交换靠火羽流来实现，而烟气的生成量与火羽流流量有很大的关系，因此对火羽流的研究可以帮助更加深入的了解火灾机理，确定火灾中烟气产量，火场中温度分布等。国内外的专家学者已经针对火羽流进行了许多研究。