汽車小型火災(zāi)中煙氣及溫度特性研究

周遲　趙龍慶

摘要：文章建立了汽車車體室內(nèi)空間的仿真模型，模擬出汽車小型火災(zāi)的發(fā)生以及蔓延情況，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)得出了在汽車小型火災(zāi)中煙氣及溫度變化的規(guī)律，對(duì)汽車小型火災(zāi)的過程了解和預(yù)防起到了指導(dǎo)性作用。

關(guān)鍵詞：汽車小型火災(zāi)；仿真模型；煙氣特性；溫度特性；火災(zāi)模擬 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：X932 文章編號(hào)：1009-2374（2016）14-0069-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.035

1 概述

近年來，汽車普及率不斷提高，越來越多的汽車走進(jìn)千家萬戶，隨著汽車保有量的大量增加，汽車火災(zāi)也逐步增多，對(duì)人民群眾的人身和財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的威脅。同時(shí)，由于種種原因引發(fā)的汽車小型火災(zāi)也越來越多，雖然這些小型火災(zāi)在無人為干涉的情況下就能自動(dòng)熄滅，對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)安全的威脅沒有其他種類的汽車火災(zāi)大，但其威脅仍不容輕視。

一般對(duì)汽車火災(zāi)的研究以實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果最好，但是汽車本身價(jià)值很高，而且實(shí)驗(yàn)過后，汽車會(huì)被損毀，實(shí)驗(yàn)成本很高，所以一般不采用實(shí)際實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行研究。計(jì)算機(jī)仿真模擬一般采用建立仿真模型，輸入各種相關(guān)條件參數(shù)，經(jīng)過相關(guān)火災(zāi)軟件模擬運(yùn)算，可以得出汽車火災(zāi)中煙氣、溫度、熱釋放率等一系列隨時(shí)間變化參數(shù)，不僅具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，而且可以根據(jù)輸入?yún)?shù)的不同得到不同場(chǎng)景下的輸出參數(shù)，可操作性極強(qiáng)，而且輸出結(jié)果與實(shí)際結(jié)果并無太大偏差，目前國內(nèi)外在計(jì)算機(jī)模擬火災(zāi)方面已取得巨大的成果。筆者通過建立仿真模型模擬出汽車室內(nèi)小型火災(zāi)的實(shí)際情況，研究了在汽車小型火災(zāi)中煙氣和溫度是如何變化的，對(duì)汽車小型火災(zāi)的過程了解和預(yù)防起到了指導(dǎo)性作用。

2 汽車座椅的組成

目前，汽車座椅的骨架基本由金屬構(gòu)成，座墊、靠背緩沖軟墊多為高回彈軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，座椅蒙皮一般分為纖維和皮革，而且均有天然和人造之分。天然纖維如棉、麻、絲等，多為易燃物，一旦起火，燃燒很容易擴(kuò)散，而人造纖維一般為工業(yè)合成纖維，因?yàn)槠浞N類多樣性，其特性各不相同，有的既容易點(diǎn)燃，又容易在點(diǎn)燃之后迅速燃燒，有的不容易燃燒，而且燃燒過程十分緩慢，更有的離開了火源，根本無法燃燒，甚至有的在燃燒過程中會(huì)熔化成滴，反而對(duì)燃燒造成了阻礙。無論是天然皮革還是人造皮革，當(dāng)起火溫度比較低時(shí)一般都不容易燃燒，但當(dāng)起火溫度高到一定程度時(shí)，皮革作為易燃物，會(huì)很容易燃燒。作為座墊填充物的海綿或者泡沫塑料等材料，在沒有經(jīng)過阻燃處理時(shí)，也是易燃物，在火勢(shì)較小時(shí)，本身作為多孔性物質(zhì)，與火源接觸部分燃燒起來，炭化形成中空結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生炭化顆粒，這在一定程度上反而阻止了燃燒，但一旦火勢(shì)過大，這些材料快速分解，可產(chǎn)生大量可燃性氣體，這些氣體快速燃燒，就會(huì)極大地助長了火勢(shì)，并且燃燒極為迅速，燃燒部分溫度極高，更主要的是它們的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，對(duì)人體的生命安全造成了巨大的威脅。本文所研究的汽車小型火災(zāi)，因其具有起火范圍小、火源溫度低、無通風(fēng)、沒有持續(xù)的氧供應(yīng)、火災(zāi)持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，所以一般在火災(zāi)中損毀的部分多為座椅蒙皮。

3 仿真模擬

3.1 軟件介紹

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。FDS是由NIST開發(fā)的用來解決火災(zāi)動(dòng)力學(xué)問題的流體動(dòng)力學(xué)軟件，它可以很好地處理三維火災(zāi)問題，而且運(yùn)算效率較高，誤差也較小，但是FDS的建模過程十分復(fù)雜，模型材料的選擇、邊界條件的設(shè)定、探測(cè)器的添加等均需要依賴C語言編程輸入，工程量大且極易出錯(cuò)，糾錯(cuò)極難。PyroSim由FDS延伸而來，但相比于FDS具有許多優(yōu)勢(shì)，三維圖形化前處理功能和可視化編輯的效果可以使用戶能夠邊編輯邊查看所建模型，使用戶擺脫了FDS的復(fù)雜編程建模，大大提高了建模效率和準(zhǔn)確度，極大地簡(jiǎn)化了工作過程。

3.2 模型建立

實(shí)際的汽車室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，燃燒又是一個(gè)很不穩(wěn)定的過程，根據(jù)有限的實(shí)際條件，為了得到較好的仿真結(jié)果，將所建模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

在物理模型建模中，車體室內(nèi)空間長為1.8m、寬為1.5m、高為1m，假設(shè)室內(nèi)是密閉空間無通風(fēng)，風(fēng)速為

0m/s，車體壁材料為鋼鐵，座椅基體材料也為鋼鐵，座墊材料選用FOAM，座椅蒙皮為紡織物。

由于需要得知模型發(fā)生火災(zāi)后煙氣的擴(kuò)散情況、溫度的變化情況、熱釋放速率變化情況、燃燒率變化情況等相關(guān)輸出結(jié)果，這就要在所建模型中設(shè)置不同的探測(cè)點(diǎn)。通常會(huì)在所需固定位置放置熱電偶以用來觀測(cè)溫度變化，有時(shí)可以添加指定切面，通過溫度云圖來觀察切面溫度變化情況。

3.3 運(yùn)算模擬

本文所建模型經(jīng)過FDS運(yùn)算，可以從smoke view中觀看整個(gè)模型燃燒過程，其中3D模擬煙氣運(yùn)動(dòng)情況以及切面溫度變化云圖，如圖1所示：

3.4 模擬結(jié)果分析

圖1、圖2為煙氣擴(kuò)散圖，汽車火災(zāi)發(fā)生前模型內(nèi)是沒有煙氣產(chǎn)生的，煙氣是隨著燃燒的開始而出現(xiàn)的，并由火源中心位置往四周擴(kuò)散，而且在上升至模型頂部時(shí)略微有下壓現(xiàn)象。圖3、圖4為溫度云圖，模擬燃燒開始前，車內(nèi)溫度是略高于車外溫度的，其大小由車外環(huán)境溫度所決定，隨著燃燒的開始，火災(zāi)中心溫度不斷升高，隨著車內(nèi)氧氣的不斷消耗，在火焰快熄滅前達(dá)到峰值，當(dāng)車內(nèi)氧氣耗盡，燃燒停止，因無通風(fēng)散熱，車內(nèi)溫度在迅速下降一段時(shí)間之后緩慢下降。

4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)有限的條件，筆者制作了一個(gè)與軟件所建仿真模擬模型大小尺寸一樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，此六面體模型除了頂面，其他五面材料選用不銹鋼打造，頂面采用透明鋼化玻璃封頂，這樣可以肉眼直接觀察燃燒過程中煙氣在模型中的實(shí)際擴(kuò)散情況，并采用了測(cè)溫計(jì)，可以隨時(shí)讀取模型中火源中心溫度數(shù)值，其數(shù)值記錄如下：

在驗(yàn)證試驗(yàn)中，隨著座椅上可燃物被點(diǎn)燃，模型里座椅蒙皮開始迅速燃燒，煙氣從起火點(diǎn)附近不斷向模型四周擴(kuò)散，火焰中心溫度也不斷升高，但隨著模型內(nèi)有限的氧氣不斷被消耗，燃燒過程也逐漸結(jié)束，火焰熄滅，模型溫度不斷下降，因?yàn)槟Ｐ褪且粋€(gè)封閉的空間，并無通風(fēng)，所以煙氣無法從模型中排出，整個(gè)模型內(nèi)充滿了煙氣，如圖5所示：

5 結(jié)語

仿真結(jié)果和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在汽車小型火災(zāi)發(fā)展過程規(guī)律的研究成果基礎(chǔ)上，通過PyroSim軟件對(duì)車內(nèi)進(jìn)行建模分析，模擬出汽車小型火災(zāi)中煙氣的流動(dòng)和分布趨勢(shì)，并得到了溫度云圖。所以有如下結(jié)論：（1）煙氣的擴(kuò)散規(guī)律和溫度的變化情況對(duì)指導(dǎo)乘客的逃生有極其重要的作用；（2）這些變化規(guī)律對(duì)如何減輕和避免汽車小型火災(zāi)的損失具有指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：周遲（1990-），男，安徽阜陽人，西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院在讀碩士，研究方向：汽車電子技術(shù)；趙龍慶，西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院教授，博士，研究方向：小波分析。

（責(zé)任編輯：王 波）