不同火源功率對列車火災(zāi)影響的FDS模擬與分析

馬紀(jì)軍，安超，張麗榮

(中國北車集團 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035)

0 引言

鐵路旅客列車是目前最適合我國國情的重要交通工具.但是由于車廂人員密度大，活動空間小，列車處于高速運動狀態(tài)，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢發(fā)展迅速，燃燒蔓延快，火災(zāi)引發(fā)的煙氣在車廂內(nèi)會迅速地蔓延，并在短時間內(nèi)充滿整個車廂，會造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失［1］.

目前國內(nèi)對列車火災(zāi)的研究主要集中在煙氣分布.1999年中國礦大的杜紅兵等采用實物模擬實驗定量測試了模擬運行列車車廂內(nèi)溫度場的分布，定性考察了火災(zāi)時煙氣的流動和蔓延特性.隨著FDS方法中的大渦數(shù)值模擬在火災(zāi)中的廣泛運用，許多學(xué)者將大渦模擬運用于列車火災(zāi)的研究中.重慶大學(xué)劉采峰等運用大渦模擬對列車車廂內(nèi)火災(zāi)煙氣運動進行了數(shù)值模擬研究.

由于列車的特殊結(jié)構(gòu)，支持燃燒所需要的氧氣必須通過窗口進入車廂內(nèi)，受到通風(fēng)面積限制，列車燃燒功率是有限的.本文采用大渦模擬軟件FDS，建立列車某車廂全尺寸模擬，進行不同火源功率的列車火災(zāi)模擬研究，探究列車的最大火災(zāi)功率以及不同火源功率對列車火災(zāi)的影響.

1 FDS簡介

1.1 FDS軟件應(yīng)用簡介

FDS是美國NIST(National Institute of Standards and Technology)開發(fā)的一款用于分析工業(yè)尺度火災(zāi)的模擬軟件.FDS采用了大渦模擬方法，可以得到真實的瞬態(tài)流場且精度較高，而且計算工作量小.應(yīng)用FDS對列車進行火災(zāi)模擬可以得到很詳細(xì)的溫度、煙氣及各組分氣體的分布信息，可以對計算結(jié)果進行可視化處理.目前FDS已經(jīng)解決了大量消防工程中的火災(zāi)問題［2］.

FDS作為開源的、專業(yè)的火災(zāi)模擬軟件，在列車火災(zāi)模擬中前人做了大量的研究工作，事實證明其在列車火災(zāi)模擬中具有很強的現(xiàn)實還原能力［3］.

1.2 FDS 原理

FDS是將模擬空間劃分成許多方形單元，以方形單元為基本單位.模擬計算的精度主要與方形單元的數(shù)量和大小有關(guān)，而方形單元的數(shù)量又主要受計算機能力的限制.與其它場景模擬軟件一樣，F(xiàn)DS也是以N－S偏微分方程為基礎(chǔ)進行數(shù)值求解，給出較詳細(xì)的各種物理量(溫度、壓力、速度、密度、熱釋放速率、煙霧組分等)的分布.其控制方程如下:

質(zhì)量守恒方程:

動量守恒方程:

能量守恒方程:

組分守恒方程:

式中，ρ為密度;t為時間(s);u為速度(m/s);p，g為重力加速度(m/s2);f為外力(包括重力)(kg/s2/m);τ為粘性力(kg/s2/m);h為熱焓(kJ)；為每單位體積熱釋放速率(kW/m3);qr為輻射熱通量(kW/m2);k為導(dǎo)熱系數(shù)(W/m/K);T為溫度(K);Yl為l組份質(zhì)量分?jǐn)?shù);D為擴散系數(shù)(m2/s);l為每單位體積 l組份生成率(kg/s/m3)［4］.

2 FDS建模

2.1 網(wǎng)格劃分

選取列車中的一輛中間車作為仿真計算模型.計算區(qū)域除了包括列車車廂，還要適量的包括一些外流場.在理想狀態(tài)下，外流場應(yīng)該是一個無限大的區(qū)域，但是這樣會導(dǎo)致計算量太大，因此只能設(shè)置一個較小的外流場代替，這種近似對計算的結(jié)果有一定的影響.考慮到計算量和計算速度，將計算外流場確定為車頂上方計算區(qū)域多出0.75 m，左右兩邊分別多出0.6 m.該外流場對計算誤差影響已經(jīng)很小，計算速度也可以接受.因此模型的計算區(qū)域為:(－12.3，12.3，1.022，4.622，－2.25，2.25).

根據(jù)計算機硬件條件，將網(wǎng)格劃分為12個計算區(qū)域.網(wǎng)格劃分具體見表1.

Y方向為重力方向，minY=1.022 m，maxZ=4.622 m，cell=24;Z 方向為寬度方向，minZ=－2.25 m，maxZ=2.25 m，cell=30.總網(wǎng)格單元為118 080個.

計算區(qū)域的邊界設(shè)置為開口，模擬開放的外部環(huán)境條件.

表1 網(wǎng)格劃分

2.2 車廂建模

模型車箱殼體主要使用的材料為鋁合金車體和玻璃窗，車內(nèi)中部為單層臥鋪包間布置.將車廂內(nèi)所有可燃物的燃燒熱釋放集中在火源上，因此車廂內(nèi)的裝飾物都設(shè)置為不可燃燒，火源設(shè)置在車箱中部，總火源面積為15 m2，模擬時間均為900 s，為火災(zāi)時列車以40 km/h速度運行15 min的時間.根據(jù)車廂實際尺寸建立模型如圖1，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.

圖1 車廂模型

測點布置于包廂走廊中間和包廂中間，人的特征高度為2 m，因此設(shè)置測點離地板高度為2 m.走廊上的測點都位于每扇窗子的中間面上.切片布置于逃生窗的中間面，車廂寬度方向中間面和走廊中間面.在高度方向上切片在窗的中間位置和離地板2 m的面上.

3 模擬場景設(shè)置

火源設(shè)置可燃物為丙烷，火源功率設(shè)置為四種，分別是 10、15、20、25 MW.為了得到列車火災(zāi)時實際最大火源功率，將通風(fēng)面積設(shè)置為最大，因此在設(shè)置所有玻璃窗都在60 s后開啟.考慮到列車發(fā)生火災(zāi)時會采取緊急制動措施，最后將減速運行，參考DIN5510-4的要求，火災(zāi)時列車將以40 km/h速度運行15 min的行車能力，故模擬計算時間設(shè)為900 s.

模擬中所有火源熱釋放曲線都設(shè)置為t2，為快速火 a=0.046 89［5-6］.

式中，Q為火災(zāi)熱釋放速率(kW);t為時間(s);a為常數(shù)，與火災(zāi)增長類型有關(guān).

具體場景設(shè)置如表2:

表2 火災(zāi)場景設(shè)置

4 實驗結(jié)果分析

4.1 火源功率分析

圖3 設(shè)計功率15 MW時可燃物釋放速率曲線

圖4 實際火源功率時間曲線圖

圖3是設(shè)置火源功率為15 MW是的可燃物釋放曲線，釋放曲線嚴(yán)格服從t2，在565.6 s時達(dá)到最大，然后一直持續(xù)該釋放速率直到模擬結(jié)束.圖4是在不同的設(shè)計火源功率下實際火源功率時間曲線圖，在火災(zāi)開始的前400 s，實際火災(zāi)熱釋放曲線與可燃燒釋放曲線相一致，火源功率波動小.400 s以后火源功率有較大波動，當(dāng)設(shè)計火源功率為10、15、20 MW時，實際火源功率波動范圍都是在其設(shè)計最大火源功率周圍;當(dāng)設(shè)計火源功率為25 MW時，實際火源功率波動范圍與設(shè)計火源功率為20 MW的波動范圍基本相同.這表明列車在以40 km/h運行時，所有車窗全部打開，列車所能達(dá)到的最大火源功率為20 MW，再增加可燃物量，列車單位時間內(nèi)的熱釋放速率不會增加.

4.2 溫度分析

火源功率增加對列車火災(zāi)的最高溫度影響不大，但是對溫度分布有一定的影響，圖5是離列車地板2 m處的面在900 s時的溫度切片，圖中各火源功率下的最高溫度都可以達(dá)到1 000℃，當(dāng)設(shè)計火源功率為10、15、20 MW時最高溫度分布在走廊上，而當(dāng)火源功率為25 MW時最高溫度在車廂外面.溫度分布與該處的燃燒情況有關(guān)，而燃燒情況又與氧氣分布有關(guān).當(dāng)火源設(shè)計功率為10、15、20 MW時，實際功率可以達(dá)到設(shè)計火源功率，這就表明此時的燃燒屬于燃料控制燃燒，車廂內(nèi)的氧氣是充足的，而走廊旁邊就是窗口，氧氣是通過窗口進入車廂的，所有燃燒時的高溫區(qū)分布在走廊側(cè).當(dāng)火源設(shè)計功率為25 MW時實際火源功率只有20 MW左右，此時的燃燒是氧氣控制燃燒，燃燒過程中產(chǎn)生的大量可燃?xì)怏w在車廂內(nèi)沒有足夠的氧氣支持燃燒，因此逸出車廂后在足夠氧氣支持下又開始燃燒，所以在列車車廂外壁出現(xiàn)了大面積高溫區(qū).

圖5 不同火源功率在900 s時的溫度切片

圖6是走廊一端離地面2 m處測得的溫度曲線，不同火源功率時曲線在前500 s變化基本相同，火災(zāi)穩(wěn)定以后，溫度波動幅度較大.10 MW對應(yīng)的溫度略微高于其它場景，但整體上每條溫度曲線差別并不明顯.這說明火源功率不同，對車廂內(nèi)平均溫度影響并不明顯，車廂內(nèi)溫度在600℃左右.

圖6 不同火源功率時溫度時間曲線

4.3 煙氣濃度分析

由于一節(jié)車廂體積較小，因此各處煙氣分布沒有明顯的差別，以走廊一端離地面2 m處測得的煙氣濃度曲線代表車廂內(nèi)各處的煙氣分布情況(如圖7).不同火源功率時曲線在前500 s變化基本相同，火災(zāi)穩(wěn)定以后，10 MW對應(yīng)的濃度略微高于其他場景，20 MW對應(yīng)的濃度略低于其他場景，但整體上濃度波動幅度較大，各條曲線差異并不明顯.這說明火源功率不同對車廂內(nèi)平均煙氣濃度影響并不明顯，車廂內(nèi)煙氣濃度大約為0.001 2 mol/mol.

圖7 不同火源功率時煙氣濃度時間曲線

5 結(jié)論

通過對臥鋪車廂10、15、20、25 MW四種火源功率的大渦模擬，分析了不同設(shè)計火源功率下得實際火源功率和不同火源功率對列車內(nèi)溫度和煙氣分布的影響，得到以下結(jié)論:

(1)當(dāng)列車運行速度為40 km/h時，在最大通風(fēng)面積下，火災(zāi)過程中最大熱釋放速率為20 MW;

(2)列車火災(zāi)的最高溫可以達(dá)到1 000℃，當(dāng)列車內(nèi)可燃物過多時，為氧氣控制燃燒，大量可燃?xì)怏w在車廂外燃燒，使得車廂外表面溫度過高，因此還要考慮列車外表面的隔熱性能;

(3)不同火源功率對列車內(nèi)的平均溫度和平均煙氣濃度影響不大.

［1］劉采峰，彭嵐，劉朝.列車車廂內(nèi)火災(zāi)煙氣運動的數(shù)值模擬研究［J］.熱科學(xué)與技術(shù)，2003，2(4):353-357.

［2］KEVIN MCGRATTAN.Fire Dynamics Simulator(Version 5)User's Guide［M］.NIST Special Publication，2001:1-186.

［3］LIU YUNLONG，VIVEK APTEpte，NATHAN WHITE，et al.Water mist fire suppression of a train fire［C］.Fire Safety-Sea Road Rail Conference，Melbourne，Australia，2005.

［4］KEVIN MCGRATTAN.Fire Dynamics Simulator(Version 5)Technical Reference Guide［M］.NIST Special Publication，2001:1-3，15-16.

［5］張會冰.不同壁面邊界條件對隧道火災(zāi)模擬結(jié)果的影響［D］.成都:西南交通大學(xué)，2007.

［6］李紹平.成都動車存車場火災(zāi)危險性數(shù)值模擬分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2010.