船舶机舱火灾特性的数值模拟研究

发布时间：2017-10-05 14:13

  本文关键词：船舶机舱火灾特性的数值模拟研究

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【摘要】：国家海洋战略的实施促进了我国船舶行业的新一轮快速发展,船舶的安全问题也随之越来越受到人们的重视。火灾是船舶安全的主要威胁之一,造成了重大人员伤亡和财产损失。船舶机舱作为船舶的动力来源,高温环境和易燃物并存的特点使其成为了船舶火灾发生频率最高的位置。由于船舶机舱在设计用途、舱室结构以及通风条件等方面的特殊性,船舶机舱火灾与已得到广泛研究的常规建筑火灾有着明显区别,近年来逐渐成为船舶安全领域的研究重点。对船舶机舱火灾的研究将有助于制定出具有针对性的灭火策略,同时也能为船舶的防火设计提供参考,具有重要的理论价值和应用前景。因此,本文对船舶机舱火灾发展规律特性开展了数值模拟研究。本文以某型散货船机舱为研究对象,基于热驱动低马赫数可压缩流动模型对全尺寸船舶机舱火灾的发展过程进行了模拟,并通过相关火灾参数对船舶机舱火灾特性进行分析。首先,本文根据机舱原型进行合理简化得到相关几何模型,并对描述船舶机舱火灾过程的数值计算模型以及网格划分进行了介绍。然后,基于简化得到的船舶顶部开口舱室模型,分析了顶部开口和油池面积对船舶机舱火灾发展过程的影响,重点研究了不同通风条件下火灾的熄灭模式以及相应模式下舱室内温度、气体组分浓度和火焰形态等火灾参数的变化规律。最后,本文对实际船舶机舱火灾环境中存在的其他因素,如机舱内部管道和设备、油池位置分布的随机性以及舱室初始温度等对船舶机舱火灾发展过程的影响进行了分析。研究结果表明,在不同顶部开口尺寸条件下,根据燃料消耗率等火灾参数的区别,船舶机舱火灾的熄灭模式可分为氧气控制型和燃料控制型,两种熄灭模式的临界水平通风因子为2000。火灾发展过程中,舱室内温度场在水平方向上分布均匀,而在竖直方向上则呈明显的分层现象;气体组分浓度的变化则具有阶段性特征,当顶部开口较小时,庚烷气体浓度在火灾后期将快速上升,因此,当采用封舱灭火策略时应注意防范爆燃等次生灾害的发生;火焰形态的变化可分为锥形火焰、脉动火焰、柱状火焰和游走火四个阶段,游走火现象的出现受火灾的熄灭模式影响。在实际船舶机舱火灾环境中,随着油池位置高度的增加,火灾的熄灭模式将发生转变,熄灭时间将延长,但从温度和氧气浓度角度分析,火灾的危害性则相对减小;舱室初始温度的升高将加速氧气浓度的下降和温度的上升,增大火灾的危害;机舱火灾发生时,由于烟气蔓延,相邻舱室内的温度也将快速上升,从而对相邻舱室的人员财产安全造成威胁。因此,在制定船舶机舱火灾的防范策略时也应对机舱相邻舱室的安全问题统筹考虑。
【关键词】：船舶机舱火灾 数值模拟 顶部开口 熄灭模式
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U698.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 背景及意义10-14
• 1.1.1 船舶机舱火灾形势10-12
• 1.1.2 船舶机舱火灾特点12-13
• 1.1.3 研究意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.2.1 顶部开口舱室火灾研究现状14-16
• 1.2.2 实际船舶机舱火灾研究现状16-18
• 1.3 本文主要研究内容18-20
• 第2章 船舶机舱模型和数值模拟方法20-34
• 2.1 引言20
• 2.2 船舶机舱模型20-24
• 2.2.1 船舶机舱原型20-22
• 2.2.2 几何模型的建立22-24
• 2.3 机舱火灾数值计算模型24-32
• 2.3.1 机舱火灾控制方程24-26
• 2.3.2 大涡模拟方法26-28
• 2.3.3 燃烧模型和辐射模型28-30
• 2.3.4 边界条件与初始条件30-31
• 2.3.5 计算流程31-32
• 2.4 网格划分与无关性验证32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 船舶顶部开口舱室火灾发展规律研究34-58
• 3.1 引言34
• 3.2 不同顶部开口条件下的火灾熄灭模式34-38
• 3.2.1 两种熄灭模式下的燃烧消耗率34-35
• 3.2.2 熄灭时油池附近的氧气浓度和燃料浓度35-36
• 3.2.3 熄灭时间随顶部开口条件的变化36-38
• 3.3 基于水平通风因子的火灾参数分析38-44
• 3.3.1 水平通风因子38-39
• 3.3.2 水平通风因子对燃料消耗率的影响39-40
• 3.3.3 熄灭时油池附近的氧气浓度和燃料浓度40-43
• 3.3.4 水平通风因子对无量纲熄灭时间的影响43-44
• 3.4 顶部开口条件影响下的舱室温度变化规律44-49
• 3.4.1 舱室内的温度分布44-46
• 3.4.2 舱室内的温升速率46-49
• 3.5 顶部开口条件影响下的气体组分浓度变化49-52
• 3.6 顶部开口条件影响下的火焰形态特征分析52-56
• 3.6.1 火焰形态的变化52-53
• 3.6.2 游走火现象分析53-56
• 3.7 本章小结56-58
• 第4章 实际机舱火灾环境下相关因素影响58-72
• 4.1 引言58
• 4.2 机舱内部结构的影响58-59
• 4.3 油池位置的影响59-63
• 4.3.1 油池高度的影响60-63
• 4.3.2 油池水平位置的影响63
• 4.4 机舱初始温度的影响63-66
• 4.5 船舶机舱火灾对相邻舱室的影响66-70
• 4.5.1 机舱火灾参数66-67
• 4.5.2 火灾对相邻舱室的影响67-70
• 4.6 本章小结70-72
• 结论72-74
• 本文主要创新点73
• 研究展望与设想73-74
• 参考文献74-79
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文79-81
• 致谢81

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本文编号：977238