摘 要

近代以来，船舶灾难性事故越来越多，而在这其中，船舶火灾事故又占据了很大一部分。因此，现在对船舶火灾的研究也逐渐成为近些年热门的话题。船舶客舱作为特殊的空间，由于舱内有大量的窗帘、衣服等易燃物品，并且远离陆地，导致火灾发生后救援困难。由于船舶火灾和其他常规性火灾不同，具有发展迅速、火灾危害性强的特点，因此可以说船舶客舱火灾具有其独特的一面。针对上述问题，本文针对“基于PyroSim的船舶客舱火灾模拟计算与分析”课题的研究，从基本控制方程、燃烧模型、辐射模型等角度出发，建立了某船舶客舱物理模型，对该船舶客舱进行了火灾发生过程方面的数值模拟。主要目的是研究该船舶客舱火灾发生及发展过程中在不同的位置下烟气的运动规律、温度的变化规律、舱内可视度变化等情况。根据实验所得到的结论，可对船舶设计提供一些建议和参考。

关键词：客舱火灾；火灾可视化；仿真建模

Abstract

In modern times, there are more and more disastrous accidents on ships, among which, fire accidents on ships occupy a great part. Under these circumstances the study of ship fire has gradually become a hot topic in recent years. Ship cabin as a special restricted space, because there are a large number of curtains, clothes and other flammable materials in the cabin, and the space is closed, and away from land, resulting in rescue difficulties after the fire. As a result, ship fire is different from conventional fire and has the characteristics of rapid development and strong fire hazard, so it can be said that ship cabin fire has its own unique side. In view of the above problems, this paper, based on the research of the subject of "the development of the cabin fire of the ship ", from the point of view of basic control equation, combustion model, radiation model and so on, establishes a physical model of the cabin of a ship, and numerically simulates the whole process of the occurrence and development of the cabin fire of the ship. The variation law of smoke movement and flame spread and the distribution of temperature field in the cabin were studied in the course of fire occurrence and development. According to the conclusion of the experiment, some suggestions and references for ship design can be provided.

Keywords: cabin fire ；fire visualization ；simulation modeling

目录

基于PyroSim的船舶客舱火灾的模拟计算与分析 I

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 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研究内容及技术路线 3

第二章 船舶火灾基本理论 5

2.1.1 火灾控制方程 5

2.1.2 燃烧模型 9

2.1.3 辐射换热模型 9

2.1.4 碳黑模型 10

第三章 基于PyroSim的船舶客舱火灾的模拟计算 12

3.1 PyroSim软件介绍 12

3.2客舱火灾仿真模型的建立 12

3.2.1舱内结构 12

3.2.2几何模型建立 14

3.2.3 仿真模型简化 15

3.3火灾模拟 16

3.3.1网格的设置 16

3.3.2火灾热释放速率的设定 17

第四章 不同火灾场景分析 19

4.1观测点的设定 19

4.2火灾模拟结果分析 19

4.2.1火灾场景1 19

4.2.2火灾场景2 24

4.3结论 29

第五章 总结与展望 30

5.1总结 30

5.2展望 30

致谢 32

参考文献 33

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

当前，随着国家海洋战略的不断深一步发展，船舶灾难性事故也在随之增多，而在这其中，船舶火灾又占很大比重。船舶火灾与其他常规性火灾相比，其发展情况较为复杂，救援难度也较大。被公认为世界上最难救援的火灾之中，就有船舶火灾的名字。由此船舶火灾受到了社会各界的广泛关注^[1]。

船舶火灾难以救援的原因主要有：

1. 由于大多数时候船舶是漂浮在海上，而非固定在某个具体地点。由于船舶航行途中是远离大陆，一旦发生火灾，难以第一时间给予外援，且由于一些不可抗因素，船上的设备和人员有限，给火灾的救援增大了实施难度。
2. 由于船体结构复杂，火灾发生短时间内并不能扑灭，反而火势迅速扩展，探火和扑救难度大，难以控制。而客舱是船舶上人员最为密集的地方，此处人员来往最为频繁，且最容易由于一些细微的不小心导致不可挽回的后果。
3. 客舱还易堆积一些易燃易爆的物品，供生活使用的可燃物多，例如地毯、毛巾、衣服、床上用品等。稍不留神就有可能导致危险的发生，从而酿成不可挽回的大祸。这也使得客舱成为船舶火灾发生的高频位置之一。船舶客舱内人员密切集中，货物种类多样，且空间狭小，客舱内一旦发生火灾，逃离与疏散困难，极易造成严重的财产损失和人员生命威胁。
4. 散热困难，客舱由于是封闭结构，非全开放，主要靠窗户等小面积开放部分散热，所以一旦发生火灾，会使得热气无法顺利简便的排出，而大部分的热量还是会积聚在室内，且由于客舱内划分多个小隔间，空间就更为小，使得客舱内温度快速上升。
5. 扑救难度加大。相比于其他部分来说，船舶客舱一旦失火，其扑救难度更大。首先楼梯、走廊、过道这些地方的空间比较窄，不利于被困人员逃到安全的地方；其次客舱人员密集、各种隔间交错杂乱，使得火灾更难以控制，再加上一旦发生火灾，起火所产生的黑烟、有毒气体等会加大对船上人员的安全威胁。且舱内通风性能较差,各种有毒气体也难以排出，失火产生的黑烟还会导致火情难明^[2]。
6. 损失大。现在造一艘船舶往往需要花销较大，没有大量的人力、物和财力，是根本不可能完成一艘船的建造。一场火灾所造成的损失往往不可估量。

因此，对于船舶火灾的研究很有必要，可以在未来对船舶设计及人员逃供提供很好的建议及参考。

1.2国内外研究现状

对于火灾的研究于始于二十世纪初，直到二十世纪七十年代得到各个国家的普遍聚焦。主要是对火灾的一些防火安全研究和一些机理研究，这其中又以建筑与森林等方面为大方向^[3]。而船舶作为经济发展中的重要一环，火灾研究的重要意义也自然不言而喻。

1.2.1国内研究现状

我国作为世界上最大的发展中国家，不仅内陆航运业发达，海洋行业也同样发达。自改革开放之后，我国在海洋工程现代化建设方面取得了巨大的成就，诸如现代化海洋军事基地，现代化海洋军队等等。在此背景下，几十年来,我国的船舶工作者在船舶火灾方面也有着许多的宝贵经验。而客舱作为船舶的一部分，即与船舶总体失火原理也相差不多。简而言之就是船舶火灾的总体发展现状，能够相应地反映出船舶客舱火灾现在的研究情况。而在国内有关于船舶火灾的研究主要包括传统火灾经验层次和火灾科学层次的研究。

对于传统火灾经验层次方面,研究一般朝着偶然的、孤立的突发事件来处理的方向进行，一般面对这种突发事件所采取的措施大多是哪个地方着火就在哪个地方进行扑救，并在此基础上制定一套较为完善的消防规范，并且还重点研究了船上所用的灭火设备的发展状况^[4]。比如说王左，就曾对两艘货船，一艘名叫“慧泉”，一艘名叫“隆林”进行火灾事件的评析，经过他的分析得到一个结论就是我国以前的船舶消防管理机制比较老旧，其实己经跟不上现代化航运的需求，从而提出仿“神经系统”建立新的管理机制^[5]。苗兰森描述了我国舰船灭火系统的现状,并由此现状对卤代烷灭火系统进行了分析，主要目的就是为了测试其是否可以替代目前的系统^[6]。叶章基在研究各种材料时，对水性膨胀防火涂料体系十分感兴趣，因此他着重研究了这种材料并对其相关特性进行了研究，他这样做的最终目的是为了寻找可以应用于舰船居住舱室建材表面的最佳替代材料^[7]。