高速列車材料測(cè)試及轟燃研究

王建帆，蘇燕辰

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031）

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高速列車材料測(cè)試及轟燃研究

王建帆，蘇燕辰

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031）

摘要：為得到CRH2型高速列車燃燒熱釋放速率、煙氣運(yùn)動(dòng)等表征燃燒特性的數(shù)據(jù)曲線，基于ISO 5660-1——2002 和ISO 1716——2002標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車用主要材料進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，并建立Pyrosim高速列車4號(hào)車廂模型進(jìn)行燃燒仿真，得出不同起火位置、不同通風(fēng)條件下列車熱釋放速率曲線、溫度、熱流量和煙層高度的變化情況，并根據(jù)轟燃發(fā)生的熱釋放速率判據(jù)判斷各個(gè)工況是否發(fā)生轟燃，分析CRH2型高速列車的防火性能。結(jié)果表明：座椅著火會(huì)使列車內(nèi)部發(fā)生轟燃現(xiàn)象，轟燃發(fā)生之后通風(fēng)會(huì)由于進(jìn)入的空氣對(duì)車內(nèi)燃燒起助燃作用。

關(guān)鍵詞：熱釋放速率；轟燃；高速列車；材料測(cè)試

0　引言

由于高速列車內(nèi)裝飾材料多為非金屬材料，列車上火源、電源較多，列車火災(zāi)危險(xiǎn)性大[1]，故高速列車防火安全在國(guó)內(nèi)外都受到格外重視。Pyrosim軟件仿真對(duì)于模擬高速列車燃燒的熱釋放速率有很好的吻合度[2]。本文采用Pyrosim軟件建立準(zhǔn)確的CRH2型高速列車4號(hào)車廂模型，仿真得到列車中起火位置、通風(fēng)情況不同時(shí)，車內(nèi)熱釋放速率曲線和煙氣運(yùn)動(dòng)模擬等輸出參數(shù)的變化情況，并與臨界熱釋放速率比較，由此判斷車內(nèi)是否發(fā)生轟燃，對(duì)高速列車編制應(yīng)急方案、消防疏散演練，以及高鐵材料的選擇、優(yōu)化和評(píng)估提供重要依據(jù)。

1　Pyrosim簡(jiǎn)介

PyroSim是美國(guó)的Thunderhead engineering公司開發(fā)的火災(zāi)模擬前處理和后處理軟件，它是在FDS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的輔助軟件[3]。Pyrosim有3個(gè)工作界面：3Dview、2Dview以及Record View。在3DView 和2DView中可以直接建模，在Record View詳細(xì)記錄了建模時(shí)所執(zhí)行的每一條命令動(dòng)作和參數(shù)，方便檢查錯(cuò)誤。建模完成之后，輸入materials、vent、surfaces、obstruction等參數(shù)，然后按照需要在合適位置添加傳感器，如熱電偶、煙霧傳感器、流量傳感器等，程序運(yùn)行之后就能得到熱釋放速率曲線、溫度、煙霧密度、熱輻射通量等數(shù)據(jù)。

2　轟燃的定義以及常用判據(jù)

轟燃標(biāo)志著火災(zāi)由初期階段向充分發(fā)展階段的轉(zhuǎn)變，轟燃的表現(xiàn)有以下3點(diǎn)：1）火災(zāi)由局部火向大火的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變完成后，所有可燃物表面都開始燃燒；2）燃燒由燃料控制向通風(fēng)控制的轉(zhuǎn)變；3）在天花板下方積聚的未燃?xì)怏w或蒸氣突然著火而造成火焰迅速擴(kuò)展[4]（在達(dá)到轟燃臨界值時(shí)，天花板的溫度設(shè)定為600℃）。

本文采用熱釋放速率判據(jù)來判斷車內(nèi)轟燃是否發(fā)生，即燃燒產(chǎn)生的熱釋放速率是否超過發(fā)生轟燃所需的臨界熱釋放速率。臨界熱釋放速率有3種計(jì)算方法[5]：

式中：Q0——產(chǎn)生轟燃所需的最小熱釋放速率，kW；

hk——有效的熱傳遞系數(shù)，kW/（m·K）；

AT——車內(nèi)所有表面的總面積，m2；

A0——門窗等開口的面積，m2；

H0——車內(nèi)門窗等開口的高度，m。

表1　車用主要材料的熱力學(xué)參數(shù)

圖1　車用主要材料的單位面積熱釋放速率

本文采用第3種方法來計(jì)算，在不打開車窗的情況下，車內(nèi)臨界熱釋放速率約為13 MW，即在不開窗的情況下，如果熱釋放速率達(dá)到13 MW，則認(rèn)為車內(nèi)發(fā)生了轟燃現(xiàn)象。在打開兩扇窗戶的情況下，由于開口面積的增加，車內(nèi)臨界熱釋放速率約為14.4 MW。

3　建模及仿真分析

采用Pyrosim軟件進(jìn)行建模，所建模型是CRH2型列車4號(hào)車廂，車體尺寸為：25000mm×3380mm× 3 700 mm?；鹪吹膯挝粺後尫潘俾式y(tǒng)一取值為500kW/m2，火源面積為0.04m2，故火源功率為20kW。列車為靜止?fàn)顟B(tài)。

3.1測(cè)試所得輸入?yún)?shù)設(shè)置

本文采用車型為CRH2型高速列車，車體所用材料的熱力學(xué)參數(shù)和材料單位面積熱釋放速率使用錐形熱儀進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)得到，實(shí)驗(yàn)在常州金標(biāo)軌道交通技術(shù)服務(wù)有限公司燃燒實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。材料測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 5660-1——2002《對(duì)火反應(yīng)試驗(yàn)-熱釋放、產(chǎn)煙量及質(zhì)量損失率，第1部分：熱釋放速率-錐形量熱儀法》[6]、ISO 1716——2002《建筑制品對(duì)火反應(yīng)試驗(yàn)-燃燒熱值的測(cè)定》[7]。所得數(shù)據(jù)見表1以及圖1。

3.2傳感器設(shè)置

為了得到溫度、熱量以及煙霧高度等物理量，在建模過程中添加相應(yīng)的傳感器，傳感器的設(shè)置見表2。

表2　傳感器設(shè)置

3.3仿真分析

3.3.1地板起火燃燒特性分析

圖2　地板著火火源位置及開窗位置

圖3　地板起火燃燒特性圖

設(shè)置火源位置都在列車右端角落的地板上，分3種情況進(jìn)行分析：1）火災(zāi)過程窗戶全部關(guān)閉；2）400s的時(shí)候打開靠近火源（最右端）的兩扇窗戶；3）1000s的時(shí)候打開靠近火源（最右端）的兩扇窗戶?；鹪次恢眉按翱陂_啟位置見圖2，圖3為仿真結(jié)果。

分析燃燒特性可知，在整個(gè)燃燒過程中，車內(nèi)熱釋放速率都沒達(dá)到轟燃的臨界熱釋放速率（13 MW），觀察Smokeview results整個(gè)過程也可看到列車沒有局部火向大火的轉(zhuǎn)變，所以列車沒有發(fā)生轟燃現(xiàn)象。打開窗戶之后，車內(nèi)熱釋放速率曲線變化不大，內(nèi)端墻拉門處的熱流量在開窗之后瞬間變小，列車中部煙層最低高度變大，即煙霧濃度會(huì)變小，天花板溫度也有所降低。

3.3.2座椅起火燃燒特性分析

設(shè)置火源位置都在列車中間的座椅上，分3種情況進(jìn)行分析：1）火災(zāi)過程窗戶全部關(guān)閉；2）400s的時(shí)候打開靠近火源的兩扇窗戶；3）1 000s的時(shí)候打開靠近火源的兩扇窗戶?；鹪次恢眉按翱陂_啟位置見圖4，圖5為仿真結(jié)果。

分析燃燒特性可知，在不開窗的情況下，熱釋放速率曲線在658s達(dá)到臨界熱釋放速率13 MW，即發(fā)生轟燃現(xiàn)象；若在1000s時(shí)打開窗戶，車內(nèi)熱釋放速率會(huì)有短時(shí)間的飆升，達(dá)到22MW，然后慢慢恢復(fù)到開窗前的數(shù)值；若在轟燃之前打開窗戶（本文取400s），熱釋放速率會(huì)急速上升，在546s達(dá)到臨界值14.4MW，即轟燃提前發(fā)生。此外，開窗會(huì)導(dǎo)致內(nèi)端墻拉門處的熱流量明顯降低，和地板燃燒的變化一致。但是，由于發(fā)生轟燃，打開窗戶會(huì)導(dǎo)致列車中部煙層最低高度變小，并且天花板附近溫度會(huì)升高，這種變化和地板燃燒變化趨勢(shì)相反，這是由于轟燃意味著燃燒由燃料控制向通風(fēng)控制轉(zhuǎn)變，打開窗戶之后，外界空氣進(jìn)入車內(nèi)，為燃燒提供了氧氣，使燃燒更加劇烈，煙霧濃度變大，車內(nèi)溫度升高。

圖4　座椅著火火源位置及開窗位置

圖5　座椅起火燃燒特性圖

由上可知，轟燃的發(fā)生與起火位置材料有很大關(guān)系，座椅材料起火比地板布起火更容易發(fā)生轟燃，二者的熱力學(xué)參數(shù)對(duì)比見表3。由表可知，與地板布相比，座椅蒙面布的比熱大、燃燒熱大、吸收系數(shù)小。再比較二者單位面積熱釋放速率（見圖1（a）與圖1（c）），同一時(shí)間蒙面布的單位面積熱釋放速率要比地板布大。因此，在選擇高鐵材料時(shí)，為了避免轟燃現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)該選擇比熱小、燃燒熱小、吸收系數(shù)大，并且單位面積熱釋放速率小的材料。列車發(fā)生火災(zāi)后，熱量積聚在天花板下方，越靠近天花板溫度越高（見圖6），故天花板材料應(yīng)該具有很好的耐火性。

4　結(jié)束語(yǔ)

1）轟燃意味著燃燒由燃料控制向通風(fēng)控制轉(zhuǎn)變[8]，如果轟燃發(fā)生之后打開門或者窗，由于外界空氣的進(jìn)入，燃燒火勢(shì)會(huì)更加旺盛，煙霧濃度增大，溫度急劇上升，熱釋放速率也在短時(shí)間內(nèi)升高，故此時(shí)通風(fēng)是危險(xiǎn)的，其危害將不堪設(shè)想。但是如果列車從始至終只是局部燃燒，沒有轟燃的可能，打開門窗會(huì)在一定程度上降低煙霧濃度和溫度。

表3　熱力學(xué)參數(shù)對(duì)比

圖6　z方向（豎直方向）溫度變化曲線

2）在沒有開窗的情況下，座椅燃燒引起的轟燃時(shí)間為658s，意味著在此之前應(yīng)該完成列車人員疏散；并且列車端墻、天花板以及側(cè)墻的耐火時(shí)間至少為658s，否則將阻礙人員疏散的進(jìn)行。

本文通過測(cè)試仿真得到結(jié)果，PyroSim的一些輸入?yún)?shù)隨著測(cè)試環(huán)境的不同會(huì)發(fā)生一定變化，所以文中實(shí)驗(yàn)室得到的數(shù)據(jù)會(huì)存在一定誤差。盡管在國(guó)際上已經(jīng)普遍認(rèn)可PyroSim的準(zhǔn)確性，并且有大量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，但是在中國(guó)畢竟還是一個(gè)新興的軟件[9]。如本文中，對(duì)高速列車的模擬計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證需要實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)為佐證。但是該項(xiàng)試驗(yàn)耗資巨大，危險(xiǎn)系數(shù)高，準(zhǔn)備程序也很復(fù)雜，受時(shí)間和經(jīng)費(fèi)所限，本研究沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。所以進(jìn)一步的研究方向之一就是通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文的結(jié)果。

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（編輯：劉楊）

Materials testing and flashover research in high-speed trains

WANG Jianfan，SU Yanchen
（School of Mechanical and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract:In order to get the data curves for combustion characteristics like heat release rate （HRR）and smoke movement of CRH2 high-speed trains，the authors have tested the automotive materials based on the ISO 5660-1——2002 standard and the ISO 1716——2002 standard and have established a Pyrosim model for the No.4 compartment on a high-speed train accordingly. Through combustion simulation，the authors have obtained the HRR curve，temperature，heat flux and smoke layer height of the train at different ignition locations and under different ventilation conditions. In addition，the authors have used the flashover HRR to determine whether flashover occurred under each working condition and to analyze the fire resistance of the high-speed train CRH2. The study has indicated that the fire on the seat can cause flashover inside the train and will spread quickly if fresh air is let in.

Keywords:heat release rate；flashover；high-speed trains；materials testing

作者簡(jiǎn)介：王建帆（1989-），女，山西汾陽(yáng)市人，專業(yè)方向?yàn)楦哞F防火測(cè)試。

收稿日期：2015-03-11；收到修改稿日期：2015-04-16

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.029

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）02-0127-05