基于PyroSim的高速動(dòng)車火災(zāi)分析

梁君海，李 霞，林建輝，李 莉，劉金柱

(1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111;2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

動(dòng)車組列車因其便捷、穩(wěn)定、舒適，已成為備受世界各國鐵路運(yùn)輸部門青睞的交通運(yùn)輸方式。動(dòng)車組列車上采用的新防火技術(shù)與難燃阻燃材料增強(qiáng)了車身的防火性能，有效地降低了火源產(chǎn)生的概率，減少了可燃物的存在。但由于一些人為因素，以及外來火源和外來可燃易燃物等，仍可能增大車廂發(fā)生火災(zāi)的隱患。由于高速列車具有流動(dòng)性、密閉性、人員集中性等特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢蔓延將會(huì)非常迅速，在短時(shí)間所產(chǎn)生的大量燃燒熱、煙氣、有毒氣體等將會(huì)很快蔓延至整個(gè)車廂。因此，對(duì)高速列車進(jìn)行火災(zāi)的分析研究有著積極的意義［1－4］。

1 PyroSim火災(zāi)模擬軟件

PyroSim火災(zāi)模擬軟件是一款專用于消防動(dòng)態(tài)仿真模擬的軟件，它是在火災(zāi)模擬軟件FDS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的［5－6］。FDS 建模很復(fù)雜，是通過文本編寫程序來完成的，尤其是對(duì)于布置探溫、探煙、探毒氣探頭位置的各種參數(shù)，其建模工作量非常大，很容易出錯(cuò)。PyroSim火災(zāi)模擬軟件最大的特點(diǎn)是提供了三維圖形化前處理和可視化編輯的功能，能夠邊編輯邊查看所建模型，把用戶從以前FDS建模的枯燥復(fù)雜的命令行中解放了出來。圖1為它的模塊組成結(jié)構(gòu)。

圖1 跟蹤試驗(yàn)系統(tǒng)的模塊組成結(jié)構(gòu)

2 火災(zāi)模型的建立及仿真

2.1 列車物理模型設(shè)置

實(shí)際的火災(zāi)發(fā)生和燃燒過程比較復(fù)雜，由于現(xiàn)有的計(jì)算方法及條件有限，必須進(jìn)行一定的簡化。因此，根據(jù)列車的二維圖進(jìn)行簡化建模，所得模型如圖2所示。各相關(guān)材料的單位面積熱釋放速率按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 5660。由錐形量熱儀測得，材料的熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表2所示。目前國內(nèi)外相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和研究表明:火災(zāi)從開始至充分燃燒，火源熱釋放速率大致與時(shí)間t的平方成正比。因此，將火災(zāi)場景的火源功率一般設(shè)定為以 t2速度增長。

圖2 車廂簡化模型

表2 材料的熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 基本方程

PyroSim以低馬赫數(shù)的LES方程式來描述受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的氣體流動(dòng)現(xiàn)象，其方程式如下:

PyroSim將溫度、密度與壓力區(qū)分為空間平均項(xiàng)與振動(dòng)項(xiàng)，其形式如下:

式(1)和(2)中，ρ為氣體密度。

煙氣流動(dòng)的的控制方程采用低馬赫數(shù)形式的三維非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程的近似形式。

質(zhì)量守恒方程:

組分守恒方程:

動(dòng)量守恒方程:

能量守恒方程:

氣體狀態(tài)方程:

由式(2)、(5)、(6)聯(lián)立求解，可得計(jì)算區(qū)域的速度、溫度、密度以及壓力等。

2.2.2 燃燒模型

火災(zāi)過程幾乎都是湍流燃燒過程，火災(zāi)中的燃燒可能是擴(kuò)散燃燒，也可能是預(yù)混燃燒。在火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬中，采用的湍流燃燒模型有混合組分燃燒模型和有限化學(xué)反應(yīng)速度模型?；旌辖M分燃燒模型假定系統(tǒng)為燃燒單步不可逆反應(yīng)的簡單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，即燃燒反應(yīng)可以簡單表示為

如果只關(guān)心火災(zāi)過程的熱效應(yīng)，該模型是簡單實(shí)用的;若需要研究了解火災(zāi)過程中污染物和有毒有害氣體的產(chǎn)生，則需要引入包含這些物質(zhì)產(chǎn)生機(jī)理和速率的有限化學(xué)反應(yīng)模型。對(duì)于一般碳?xì)浠衔锶紵磻?yīng)可表示為:

相應(yīng)的反應(yīng)速率為

2.2.3 模型場景設(shè)計(jì)及測點(diǎn)布置

可以以起火位置作為參照設(shè)計(jì)不同的火災(zāi)場景，并可以設(shè)置門窗的開合狀況，以此來比較不同位置著火和不同門窗開啟的情況下的火災(zāi)危害程度。由于需要測定列車模型發(fā)生火災(zāi)時(shí)的溫度變化、能見度、熱釋放速率等參數(shù)，這就需要在軟件中布置不同的測點(diǎn)。一般來說，通過設(shè)置熱電偶來測定固定位置的溫度變化;也可以通過設(shè)置slice面來觀察指定平面的溫度變化情況;同時(shí)，可以通過改變熱電偶的屬性，來測定煙霧能見度。熱電偶的布置如圖3所示。

圖3 熱電偶的布置

3 運(yùn)行仿真

仿真過程中，通過smokeview來觀看燃燒狀況，如圖4所示。此外，可以通過不同測點(diǎn)的測定結(jié)果來判斷不同著火位置的危害程度，以及門窗開合對(duì)溫度以及能見度、熱釋放速率等的影響。如圖5為測定的某種工況下的熱釋放速率。

圖4 通過smokeview觀看燃燒狀況

圖5 測定的某種工況下的熱釋放速率

4 結(jié)束語

仿真結(jié)果表明:高速列車防火的薄弱環(huán)節(jié)主要在車輛結(jié)合部。得到了不同門窗開合對(duì)火災(zāi)蔓延的影響，對(duì)于指導(dǎo)乘客逃生疏散有著積極的意義。高速列車防火安全問題備受關(guān)注，由本文研究結(jié)果可知:PyroSim火災(zāi)模擬軟件對(duì)于研究高速列車火災(zāi)蔓延有著指導(dǎo)意義。

［1］韓凱旋，任神河，何娣.基于FDS地鐵火災(zāi)煙氣蔓延數(shù)值模擬研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(3):147－151.

［2］王云，程堂明，任永衛(wèi)，等.基于FDS模擬的動(dòng)車車廂火災(zāi)煙氣遷移特性研究［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，8(7):24 －29.

［3］張山虎.動(dòng)車組列車火災(zāi)安全分析與評(píng)估研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2011.

［4］楊天佑.高速列車火災(zāi)煙氣防治研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2011.

［5］尚超，王克印，黃海英，等.基于PyroSIM的火災(zāi)樹木建模研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2013(9):1030－1033.

［6］陳興，呂淑然.基于PyroSim的復(fù)雜礦井火災(zāi)煙氣智能控制研究［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012(10):152.