《Ocean Engineering》：Full-scale experiments on self-extinction of diesel pool fires in sealed serially connected ship compartments
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针对串联封闭舱室火蔓延及自熄灭特性，通过15次全尺寸实验研究提出了一种基于卷入体积的状态框架，结合拓扑感知的有效参与体积和非整数指标优化，显著提升了自熄灭时间预测精度，验证了工程适用性。
余光辉|黄志|冯建瑞|卢守祥
中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026，中国
摘要
在舱室封闭后，火灾的自我熄灭是船舶消防安全的重要考虑因素，尤其是在通过开口限制下游参与情况的串联连接封闭空间中。本文在具有串联连接性和不同开口限制的完全封闭的三层舱室网络中进行了15次全尺寸测试。通过燃料质量损失测量重建了热释放率（HRR）历史，并用其来估计火焰高度和轴对称烟羽的卷吸效应。将卷吸率积分得到累积卷吸体积，该体积被视为表示熄灭前累积混合需求的状态变量。为了反映连接性和限制效应，使用物理上可解释的折减系数制定了有效参与体积，并定义了一个主要的无量纲指标，即累积卷吸体积与这个有效体积的比值。然后通过引入移动平均HRR项引入了一个次要指标，以补偿与火强度相关的交换效应。根据基于温度的熄灭时间确定了临界阈值。在所有测试中，与主要指标相比，次要指标将熄灭状态的离散度降低了29.8%。使用第一个阈值穿越规则，熄灭时间预测的MAPE从38.8%（14/15个案例）提高到14.1%（15/15个案例），为封闭船舶空间中的跨条件评估提供了一种紧凑的缩放方法。
引言
船舶火灾是海上航行中最严重的紧急情况之一（Lee和Nam，2025）。船舶通常由密集排列的高度封闭空间组成，多个舱室通过门和楼梯开口相互连接，形成复杂的空间拓扑结构（Kacem等人，2017）。一旦一个舱室发生火灾，它可能通过门、楼梯井和其他路径蔓延，威胁到相邻的空间（Liu，2025）。因此，通常采用舱室封闭措施来防止火灾蔓延（Liu等人，2024；Wang等人，2023a，Wang等人，2023b）；封闭不仅可以隔离火源，还可以限制氧气供应，促进火灾的自我熄灭（Wang等人，2021；Yu等人，2025）。
在实际的损害控制实践中，必须在时间压力和不完整信息的情况下做出关键决策（例如，舱室隔离、火帘部署、通风调整）（Lee等人，2021）。因此，一个核心的工程问题是：封闭后，火灾是否会自我熄灭，以及需要多长时间？对自我熄灭时间的可信估计可以支持操作规划（进入时间和路线）、封闭策略（隔离顺序和限制部署）以及基于风险的设计（评估舱室拓扑和开口限制对安全的影响）。
关于封闭舱室火灾动力学的先前研究表明，封闭环境中的熄灭受氧气耗尽、混合和热量损失的耦合演变控制（Chen等人，2023；Wang等人，2025a，Wang等人，2025b；Zhao等人，2025）。研究已经探讨了通风受限燃烧、熄灭极限以及开口大小和舱室体积对火灾衰减和熄灭的影响（Kacem等人，2017；Sellami等人，2025；L. Wang等人，2023a，Wang等人，2023b；Zhang等人，2016）。相关的船舶火灾研究还调查了多层烟雾传播和隔离措施（门、阻尼器、火帘）的有效性，提供了有价值的定性和定量基础（Qiao等人，2025；Zeinali等人，2023；Zhang等人，2015）。
然而，对于串联连接的多舱室船舶系统，现有方法在工程适用性和可转移性方面仍面临实际限制（Zhang等人，2013）。首先，依赖于氧气浓度历史或详细通风边界条件的方法难以前瞻性地应用（Wang等人，2025a，Wang等人，2025b），因为氧气传感器很少部署在所有可能参与的空间中，而且泄漏路径/有效通风条件的表征具有挑战性。其次，纯粹基于时间的经验相关性（例如，将熄灭时间与总体积或燃料负荷联系起来）通常没有明确表示串联网络中的关键机制：下游空间通过“咽喉”开口逐渐参与。第三，开口限制（例如，部分火帘关闭）引入了复杂的节流效应，这些效应不仅取决于几何面积比，还取决于流动阻力和混合效率，而这些因素很少以可转移的形式参数化。因此，需要一个工程导向的预测框架，该框架（i）仅依赖于可访问的输入（例如，HRR时间历史），（ii）明确考虑拓扑和限制，并（iii）提供用于跨条件比较的稳健的熄灭状态指标。
为了解决这些需求，本研究提出了一个基于状态的卷吸框架，用于估计封闭的三层串联连接船舶舱室网络中的自我熄灭时间。该方法将HRR历史转换为表示火灾施加的累积混合需求的累积卷吸指标，并将其与考虑拓扑的有效参与体积联系起来。引入了两个工程系数：一个跨层参与系数和一个开口限制系数，表示节流效应。通过最小化重复测试中熄灭状态指标的离散度来识别参数，目标是可转移性而不是单一条件曲线拟合。
基于校正后的数据集，进一步观察到熄灭状态指标与火强度的系统性依赖性——这与“名义上封闭但泄漏轻微”的条件一致，在这种情况下，较大的火灾可能通过压力差驱动更强的泄漏交换。为了提高稳健性，引入了一个次要的无量纲指标，以弱化火强度效应，减少离散度并提高熄灭时间预测的准确性。模型预测通过独立的基于温度的熄灭时间（第3.1节的定义）进行了验证。
总之，本研究开发了一个工程导向的框架，将HRR历史映射到累积混合需求代理，并通过考虑拓扑的有效参与体积对其进行标准化，用于串联船舶舱室网络中的熄灭时间预测。主要验证的贡献和实际意义在第5节“结论”和第6节“实际意义和展望”中总结。
部分摘录
舱室几何和结构
实验在一个全尺寸的封闭舱室设施中进行，该设施具有三层连接的配置。舱室的整体外观如图1所示。总体尺寸约为24米×22米×10.5米，甲板高度分别为4.5米（1层）和3.0米（2层和3层）。外墙和甲板是钢制的；内部隔板和设备模型是用防火板建造的。舱室的内部结构如图2所示。
温度演变和参考熄灭时间
图3展示了所有案例的代表性温度历史。所有案例都显示了典型的温度上升后随时间衰减的过程。熄灭时间定义为测量温度首次降至燃料自燃温度阈值以下并且此后不再超过该阈值的时间（Wang等人，2026）；本文中始终使用这个基于温度的熄灭时间作为唯一的实验参考。
对于柴油燃料，报告的自燃温度有所不同
熄灭预测的无量纲框架
串联连接的多层舱室中的自我熄灭受混合/卷吸、可用氧气和热量损失的耦合控制。以基于温度的熄灭时间（第3.1节）作为实验参考，本节开发了一个考虑拓扑的无量纲标准，旨在：（i）将不同连接条件下的熄灭状态归结为一个共同的临界值，以及（ii）从卷吸和火强度历史中预测熄灭时间。结论
本研究在封闭的三层串联连接舱室网络中进行了柴油池火灾的全尺寸自我熄灭实验，并开发了一个基于状态的卷吸框架，用于跨条件熄灭评估和熄灭时间预测。
- (1)
通过火焰高度估计和烟羽卷吸缩放，建立了从HRR历史到累积卷吸体积
实际意义和展望
所提出的框架提供了一个工程筛选工具，使用可访问的输入（HRR历史和拓扑）来比较串联连接船舶舱室中的封闭和开口控制策略。通过将限制位置和连接性映射到有效参与体积并通过和通过和，该方法能够跨条件比较（i）隔离顺序（ii）节流装置（例如，火帘）的有效性
CRediT作者贡献声明
余光辉：撰写——原始草稿，验证，概念化。黄志：资源。冯建瑞：调查。卢守祥：监督，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金[编号：72501200、52506170、52404258]和安徽省自然科学基金[编号：2408085QE173]的支持。
