载人航天器舱内火灾烟雾分布规律数值模拟研究.pdf

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1、第18卷第1期载人航天Vol_18No．12012年1月MannedSpaceflight55载人航天器舱内火灾烟雾分布规律数值模拟研究胡海兵，王彦，王锋，方俊，王进军，张永明(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥230027)摘要根据国际空间站实际舱体结构建立相似试验模型，进行舱室微重力环境有强迫通风情况火灾烟雾分布规律数值模拟研究。气流组织形式采用顶部45。斜向进风和底板出风口自然通风，利用FLUENT软件进行舱室内气流组织数值模拟，考察强迫通风能否满足航天员热舒适性要求在保证舱室内热舒适I}生的同时加入火源，考察微重

2、力环境强迫通风舱室内火灾烟雾浓度分布情况。火源位置分别设置在底面中心和侧壁中心，采用LES(LargeEddySimulation)方法求解Navier—Stokes方程。模拟研究结果可为航天器舱内光电感烟型早期火灾探测器的合理安装提供理论指导。关键词栽人航天器；微重力；数值模拟；强迫通风；早期火灾探测中图分类号：V444-3文献标识码：A文章编号：1674—5825(2012)01—0055—05早期特性和运动分布规律与地面存在的较大差异，l引言采用常重力下的感烟探测报警器布置方法必然导载人航天器是典型的孤立系统，要保证乘员的致

3、误报和漏报偏高。目前国内外学者对微重力环境正常活动和仪器设备的正常运转，必须采取措施控中材料的可燃性、环境对火焰传播速度的影响、火制其内部环境。环境控制和生命保障系统(ECLSS)灾烟颗粒光散射理论、感烟探测器的选型及火灾烟中舱内环境通风及其气流组织方式会直接影响舱内雾探测识别算法等研究较深入，然而对微重力下强环境参数的控制效果和热舒适性『】1。迫通风火灾烟雾运动及分布规律的研究还没有相航天器舱是一个密闭而狭小的空间，舱内的各关报道。种机电设备层叠密布，航天员的操作活动空间甚小，微重力环境火灾的发生、发展及产物与常重力通畅性较差，

4、个人逃逸受到限制，可利用的灭火资源环境有明显的差异_3'4J。有效的火灾探测能够很好的非常有限，存在发生火灾的可能性。微重力密闭空间防治火灾，使火灾在初起期可以通过相对简捷高效强迫通风是载人航天器(包括空间站、载人飞船和航的方式对其进行扑灭。许多研究学者针对微重力环天飞机等)封闭舱内的基本特征环境，微重力水平约境火灾探测器的设计和选型进行了一系列研究，得为101O。为保证航天员生存和舒适，舱内保持出了适合于航天器的火灾探测器。然而，在微重力气压约latm、氧含量略高于21％、气体流速0．2～环境中由于缺乏自然对流，探测器不能与常重

5、力环0．8m／s[2]。一旦发生火灾，不仅会使航天员受到热和毒境一样布置在顶棚位置处。因此需要开展微重力环气的威胁，使舱内设备及构件受到损坏，而且还可能境火灾烟雾运动及浓度分布情况研究，指导火灾探出现更多不可预见的险隋。在早期火灾探测中“烟为测器的布置。基于火灾燃烧试验的破坏性和火灾数火始”，目前载人航天器上较多采用的是光电型感烟值模拟软件FDS在微重力领域研究的有效应用【8_”]，和离子型感烟传感器，由于微重力环境下，火灾烟雾本文采用数值模拟方法研究微重力环境舱室火灾发收稿日期：2011~03—22；修回日期：2011-07—2

6、6作者简介：胡海兵(1984一)，男，博士研究生，研究方向为微重力环境火灾探测。E-mail：zhangym@ustc．edu．en载人航天第18卷雾运动及分布情况，为该环境下探测器种场景火源，各个设备舱均可布置光电感烟探测器足供理论支撑。以采集各种实验数据。g3微重力强迫通风环境烟雾输运规律j／示空间站实际舱体的基本结构，设计并3．1实验舱强迫通风条件下流场分布数值模拟勺实体模型。实验舱的主要功能是模拟空针对模拟实验舱顶棚送风口采用45。角斜向送结构特征和强迫通风烟雾流动情况，从风，底板自然通风的气流组织方式，采用流体动力学与实

7、际空问站类似的结构边界条件与强模拟软件FLUENT进行数值计算，考察舱内的气体，为在此条件环境下分析火灾的行为特流动情况。由于舱室为对称结构，截取X=2m处的界民空间站火灾探测与灭火技术提供基本面考察该种通风方式对舱室气流组织形式的影响。3图3为舱室内部结构图。计算过程中使用控制容积与示意图如图1、图2所示，实验舱尺寸法对N—S方程进行离散。差值方案选择BodyForce：2m(宽)x4m(高)，包括1个中心位置的Weighted格式，压力一速度耦合方程用SIMPLE算活动舱和4个弧形侧面设备舱；强迫通法，动量、能量、k和s方程选

8、择二阶迎风格式。选用6个45o斜向、变频风扇控制的40crux的湍流模型为带浮力修正的k-z方程，壁面处理采风口，以及与送风口对应的6个20cmx用标准壁面函数方法。l。人员活动舱一端有供人员出入的2扇验视频观测窗口，底面设备舱可布置各图3舱室内部