不同防排煙方式下車廂火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬研究*

余明高，陳　靜，蘇冠鋒

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2. 重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

0　引言

動(dòng)車組列車具有流動(dòng)性、密閉性、人員集中性等特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)迅速蔓延，極易造成群死群傷。如2003年2月18日，韓國(guó)大邱地鐵因人為縱火造成192人死亡，148人受傷，車廂內(nèi)彌漫的濃煙是造成人員傷亡的主要因素。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明[1]，在火災(zāi)中85%以上的死亡者是死于煙氣的窒息作用。因此，高效的防排煙措施對(duì)車廂火災(zāi)的防治和人員逃生具有重大意義[2]。

近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)車廂內(nèi)部火災(zāi)煙氣的研究取得了一定的成果。MO Shanjun等[3]通過(guò)FDS模擬分析車廂內(nèi)部火災(zāi)時(shí)煙氣濃度和溫度的分布及變化趨勢(shì)；張培紅等[4]模擬分析了機(jī)械排煙和細(xì)水霧耦合作用下地鐵列車車廂火災(zāi)的滅火效果；王云[5]、單其康[6]模擬研究了不同風(fēng)機(jī)排風(fēng)速度條件下煙氣在列車車廂內(nèi)的蔓延規(guī)律；Qize He等[7]研究了車廂天花板排氣口尺寸對(duì)火源自熄的影響，同時(shí)提出了二者之間的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)關(guān)系；空氣幕作為柔性阻隔物，通過(guò)產(chǎn)生高動(dòng)量的氣流平面分離兩個(gè)相鄰的區(qū)域，是理想的防排煙工具[8]。Lecaros, M.[9]、GAO Ran[10]在隧道中應(yīng)用雙噴空氣幕阻擋熱質(zhì)交換和CO的擴(kuò)散；LUO Na等[11]對(duì)高層建筑進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)和全尺寸數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明空氣幕比擋煙垂壁擋煙效果好；在煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律與控?zé)煼绞窖芯糠矫?，Chow[12]分析了火焰機(jī)理；鐘瓊英等[13]通過(guò)比較分析某地下超市在不同控?zé)煼绞较禄馂?zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的演化規(guī)律，優(yōu)化選擇最優(yōu)控?zé)煼绞健?/p>

綜上所述，目前針對(duì)車廂內(nèi)部火災(zāi)的研究大多局限于對(duì)車廂內(nèi)部煙氣運(yùn)移規(guī)律以及單一機(jī)械排煙方式作用下煙氣蔓延特性，而對(duì)車廂內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時(shí)有效的防排煙組合方式的研究甚少。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用FDS模擬計(jì)算，對(duì)比分析不同防排煙方式下，車廂內(nèi)部煙氣流動(dòng)蔓延時(shí)煙氣平均溫度、煙氣層高度和煙氣濃度等特性參數(shù)的變化規(guī)律，優(yōu)化選擇最佳的防排煙組合方式。研究結(jié)果對(duì)動(dòng)車組列車火災(zāi)的高效防控具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1　模型建立

1.1　車廂幾何模型

以CRH2A動(dòng)車組的1節(jié)二等車廂為原型，車廂內(nèi)部尺寸為18.0 m×2.9 m×2.3 m，內(nèi)設(shè)16排(2+3)座椅。忽略車廂的外部尺寸及內(nèi)部細(xì)小部件的影響，建立簡(jiǎn)化后的車廂幾何模型如圖1所示。

圖1　車廂幾何模型Fig.1　The simplified compartment geometry model

1.2　參數(shù)設(shè)置

1.2.1火源設(shè)置

火源為0.4 m×0.4 m，位于第8排3人座椅正中央，座椅材料為聚氨酯。根據(jù)車廂實(shí)際火災(zāi)情況文獻(xiàn)資料[14]，本文設(shè)定固定功率分別為0.2 MW，模擬該座椅表面全部燃燒的情況。

1.2.2風(fēng)機(jī)和空氣幕設(shè)置

參考相關(guān)國(guó)家規(guī)范和手冊(cè)中關(guān)于排煙量的規(guī)定[15]，本文在車廂頂部設(shè)置3個(gè)排煙口，尺寸均為0.4 m×0.4 m，間距為5 m。根據(jù)FDS軟件的特點(diǎn)，本文設(shè)置排煙量分別為：0.25 m3/s，0.87 m3/s，2.0 m3/s，且3個(gè)風(fēng)機(jī)在發(fā)生火災(zāi)后即刻啟動(dòng)?？諝饽话惭b在車廂兩端車門上方天花板處，出口流速分別設(shè)置為2 m/s，3 m/s，4 m/s，5 m/s，對(duì)應(yīng)的供風(fēng)量(體積流量)依次為1.12 m3/s，1.68 m3/s，2.24 m3/s，2.8 m3/s。

1.2.3臨界數(shù)值設(shè)置

將煙氣層高度、煙氣平均溫度、煙氣濃度作為判定參數(shù)，考慮到車廂空間有限，人員密度大，人體耐受的臨界值相應(yīng)降低，危險(xiǎn)狀態(tài)的判定標(biāo)準(zhǔn)為：車廂地板以上1.5 m[16]平面上煙氣溫度超過(guò)60℃[17]，煙氣濃度高于2.08%。

1.2.4監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

車廂內(nèi)部過(guò)道和兩端車門分別是人員逃生的重要通道和安全出口。Z=1.5 m平面上、車廂走道中心線(Y=1.915 m)上沿長(zhǎng)度方向(X方向)，在兩端車門(X=0 m，X=18 m)、火源(X=9 m)、火源與兩端車門的中部位置(X=4.5 m，X=13.5 m)處布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)煙氣參數(shù)的變化規(guī)律。

1.2.5計(jì)算域網(wǎng)格設(shè)置

參照Kevin McGrattan等[19]相應(yīng)的網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得出火源特征直徑D*與計(jì)算網(wǎng)格尺寸δx的比例在4 ～16之間時(shí)，可以得出一個(gè)合理的求解結(jié)果。其中火源特征直徑由下式給出：

式中：Q為火源熱釋放速率，kw；cp為空氣的定壓比熱，1.006 kJ/(kg·k)；ρ0為空氣密度，1.205kg/m3；T0為環(huán)境初始溫度，20℃；g為重力加速度，9.8 m/s2。固定功率為0.2 MW時(shí)，計(jì)算可得D*為1.47。綜合考慮計(jì)算結(jié)果的合理性以及計(jì)算機(jī)的性能，本文采用δx=0.1 m的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行計(jì)算。

1.2.6初始環(huán)境和工況設(shè)置

假定車廂內(nèi)初始環(huán)境溫度20℃，壓強(qiáng)為101 325.0 Pa，煙氣初始濃度為0，且車廂內(nèi)各處溫度、壓強(qiáng)相同，計(jì)算時(shí)間跨度為100 s。根據(jù)空氣幕設(shè)計(jì)參數(shù)、排煙量、初始條件與邊界條件的不同，火災(zāi)模擬工況設(shè)置見(jiàn)表1。

表1　火災(zāi)模擬工況設(shè)置

圖2　排煙量不同時(shí)煙氣溫度變化Fig.2　Changes of smoke temperature under different mechanical exhaust rate

2　模擬計(jì)算結(jié)果分析

2.1　排煙量對(duì)煙氣蔓延的影響

為了考察排煙量對(duì)煙氣蔓延的影響，分別對(duì)表1中工況1，2，3，8進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.1.1溫度

圖2為排煙量不同時(shí)Z=1.5 m高度處煙氣溫度變化圖，其中(a)表示V2=0 m3/s時(shí)，車廂兩端車門位置處煙氣溫度達(dá)到160℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人體承受范圍。當(dāng)V2=0.25 m3/s時(shí)，在車廂銜接處溫度均超過(guò)100℃；當(dāng)V2=0.87 m3/s時(shí)，在X=0 m處溫度降至60℃；當(dāng)V2=2 m3/s時(shí)車門處溫度維持在初始溫度20℃，隨著排煙量的增加煙氣溫度明顯降低。(b)為Z=1.5 m平面以上煙氣的平均溫度變化規(guī)律：當(dāng)V2=0 m3/s，0.25 m3/s，0.87 m3/s，2 m3/s時(shí)煙氣的平均溫度分別為160℃，140℃，100℃，80℃。隨著排煙量的增加，平均溫度明顯降低。這是因?yàn)閂2=0 m3/s時(shí)，火源釋放的熱煙氣在浮力作用下豎直上升，受到車廂頂棚的阻擋形成水平流動(dòng)的頂棚射流，煙氣蔓延至端部后在車門上方大量積聚，造成溫度上升；而開(kāi)啟排煙系統(tǒng)時(shí)，一定量的熱煙氣在遇到開(kāi)口后逸散到外界，降低了熱煙氣對(duì)火場(chǎng)的熱輻射作用。

圖3　排煙量不同時(shí)煙氣層高度變化Fig.3　Changes of smoke layer height under different mechanical exhaust rate

2.1.2煙氣層高度

圖3為排煙量不同時(shí)X=4.5 m，9 m處煙氣層高度變化圖。由圖3可知，V2=0 m3/s時(shí)，煙氣層高度均穩(wěn)定在1.2 m左右；當(dāng)V2=0.25 m3/s時(shí)，不能滿足人員的安全疏散要求；當(dāng)V2=0.87 m3/s時(shí)，煙氣層高度均穩(wěn)定在1.5 m。由(b)可以看出，V2=2 m3/s時(shí)，在X=9 m火源附近處煙氣層高度波動(dòng)較大，這是由于排煙量過(guò)大，加劇了熱煙氣與空氣的對(duì)流，使得煙氣與空氣之間的摻混作用增強(qiáng)，煙氣熱分層的穩(wěn)定性受到破壞，增加了火焰區(qū)的擾動(dòng)。因此，煙氣層高度隨著排煙量的增大而提高，但為了使煙氣具有較穩(wěn)定的熱分層，排煙量不宜過(guò)大。

2.1.3煙氣濃度

圖4　排煙量不同時(shí)煙氣濃度變化Fig.4　Changes of smoke concentration under different mechanical exhaust rate

圖4為不同排煙量、不同位置在Z=1.5 m高度處煙氣濃度變化圖。由圖4可知，V2=0 m3/s時(shí)，煙氣濃度均為最高值，在X=4.5 m和9 m處煙氣濃度的最大值分別為0.003 1，0.002 6；隨著排煙量的增加，車廂內(nèi)煙氣濃度明顯降低：V2=0.25 m3/s與V2=0 m3/s時(shí)相比，在X=4.5 m處煙氣濃度有所下降，在X=9 m處煙氣濃度變化不明顯；V2=0.087 m3/s時(shí)，在X=4.5 m和9 m處煙氣濃度最高值分別為0.001 5，0.000 5，與V2=0 m3/s時(shí)相比，煙氣濃度分別下降51.6%和80.8%；V2=2 m3/s時(shí)，幾乎沒(méi)有煙氣蔓延。在整個(gè)火災(zāi)過(guò)程中，車廂內(nèi)煙氣溫度不均、密度不均以及產(chǎn)生的浮力效應(yīng)會(huì)使熱煙氣豎直上升，當(dāng)其受到頂棚阻擋后，形成水平流動(dòng)的頂棚射流。在排煙系統(tǒng)作用下，煙氣在頂部水平流動(dòng)時(shí)一部分被風(fēng)機(jī)排出，與外界產(chǎn)生熱質(zhì)交換。因此，機(jī)械排煙在某種程度上可以大大降低煙氣濃度。

2.2　空氣幕與機(jī)械排煙復(fù)合對(duì)煙氣蔓延的影響

為了考察防排煙組合方式對(duì)煙氣蔓延的影響，分別對(duì)表1中工況3～7，9～12進(jìn)行模擬計(jì)算并對(duì)比分析。

2.2.1平均溫度

圖5　V1不同時(shí)煙氣的平均溫度變化曲線Fig.5　Curves of average smoke temperature along with the changing of V1

圖5為改變V1時(shí)Z=1.5 m平面以上煙氣平均溫度變化圖。其中(a)為V2=0.87 m3/時(shí)煙氣平均溫度的變化情況：當(dāng)V1=0 m3/s時(shí)煙氣的平均溫度穩(wěn)定在120℃左右；當(dāng)空氣幕系統(tǒng)作用后，煙氣平均溫度隨著供風(fēng)量的增大相應(yīng)降低，曲線走勢(shì)相同但變化不明顯?？諝饽坏墓╋L(fēng)作用增大了車廂內(nèi)部壓強(qiáng)，供風(fēng)量越大煙氣羽流的卷吸量越多，加速了新鮮空氣與熱煙氣的對(duì)流，煙氣的溫度適當(dāng)降低。(b)為V2隨著V1改變而變化時(shí)煙氣平均溫度變化曲線圖，當(dāng)V2隨著V1同比增大時(shí)，煙氣平均溫度適當(dāng)降低。對(duì)比分析(a)(b)可知，當(dāng)V1相同時(shí)，V2的同比增加使得煙氣平均溫度降低30℃左右。因此，空氣幕對(duì)降低煙氣的溫度效果不佳，機(jī)械排煙在一定程度上能降低煙氣的溫度。

2.2.2煙氣濃度

圖6為V2一定、V1變化時(shí)X=0 m和9 m處煙氣濃度變化圖。其中(a)為X=0 m處煙氣濃度變化曲線圖：隨著V1的增加，煙氣濃度逐漸降低，當(dāng)V1=2 m3/s時(shí)煙氣濃度幾乎為0 mol/mol。(b)為X=9 m處煙氣濃度變化曲線圖，在火災(zāi)過(guò)程中煙氣濃度逐漸升高，煙氣濃度曲線走勢(shì)相同且差別不大。當(dāng)V1，V2均相同時(shí)，車門處煙氣濃度總是比車廂內(nèi)煙氣濃度低。因此，空氣幕在一定程度上可以阻擋煙氣蔓延，但對(duì)降低煙氣濃度效果不明顯。

圖6　V2一定、V1變化時(shí)煙氣濃度變化曲線Fig.6　Curves of smoke concentration along with the changing of V1

圖7為V1一定、V2變化時(shí)X=0 m和9 m處煙氣濃度變化圖。由(a)可知，在X=0 m處，V2=0.87 m3/s時(shí)煙氣濃度在0.000 3 mol/mol附近波動(dòng)，V2=1.62 m3/s時(shí)煙氣濃度在0.000 25 mol/mol附近波動(dòng)，煙氣濃度下降91.74%；由(b)可知，在X=9 m處，V2=0.87 m3/s時(shí)煙氣濃度最高為0.001 2 mol/mol，V2=1.62 m3/s時(shí)煙氣濃度最高為0.000 67 mol/mol，煙氣濃度最大值降低了44.2%。因此，同一位置處，排煙量越大，煙氣濃度越低；機(jī)械排煙對(duì)煙氣濃度的影響比空氣幕的作用效果顯著?？紤]防排煙的有效性和經(jīng)濟(jì)性，取V1=1.12 m3/s、V2=1.62 m3/s。

圖7　V1一定、V2變化時(shí)煙氣濃度變化曲線Fig.7　Curves of smoke concentration along with the changing of V2

2.2.3煙氣蔓延

圖8為t=30s時(shí)工況1，3，4，9在空氣幕與機(jī)械排煙復(fù)合系統(tǒng)作用下煙氣蔓延對(duì)比圖，由圖8可以看出，V1=0 m3/s，V2=0 m3/s時(shí)，煙氣蔓延至端部后沿車門上方向外擴(kuò)散；V1=0 m3/s，V2=0.87 m3/s時(shí)，煙氣層高度升高且從車門處溢出的煙氣量明顯減少；V1=1.12 m3/s，V2=0.87 m3/s時(shí)有輕微煙氣溢出，煙氣層高度明顯下降，且在車廂銜接處煙氣層高度較低；V1=1.12 m3/s，V2=1.62 m3/s時(shí)，煙氣幾乎不會(huì)影響到相鄰車廂。機(jī)械排煙可以有效地控制煙氣并穩(wěn)定在一定高度；空氣幕帶入的新鮮空氣造成車廂內(nèi)部燃燒更劇烈，煙氣遷移到車廂連接通道處時(shí)，遇到頂棚而向下蔓延，導(dǎo)致此處的煙氣聚集。綜合對(duì)比分析，當(dāng)V1=1.12 m3/s，V2=1.62 m3/s時(shí)控?zé)熜Ч罴选?/p>

圖8　空氣幕與機(jī)械排煙復(fù)合系統(tǒng)作用下煙氣蔓延情況對(duì)比Fig.8　Comparison of smoke spread under the condition of the coupled system

圖9為車廂過(guò)道中心截面(Y=1.915 m)切片速度云圖。其中(a)為工況3切片速度云圖，火災(zāi)初期，車廂內(nèi)部壓強(qiáng)減小，當(dāng)只有排煙系統(tǒng)作用時(shí)，由于車廂內(nèi)外存在壓強(qiáng)差，外界新鮮空氣從車門處進(jìn)入車廂；(b)為工況9切片速度云圖，空氣幕系統(tǒng)和機(jī)械排煙系統(tǒng)聯(lián)合作用時(shí)，在一定程度上減少了車廂內(nèi)外的熱質(zhì)交換，同時(shí)達(dá)到了理想的控?zé)熜Ч?/p>

圖9　切片Y=1.915 m速度場(chǎng)分布Fig.9　Velocity field distribution of the slice Y=1.915 m

3　結(jié)論

1)排煙量越大控?zé)熜Ч胶?，但為了使煙氣具有較穩(wěn)定的熱分層，排煙量不宜過(guò)大。固定功率為0.2 MW時(shí)，V2=0.87 m3/s排煙效果最佳。

2)空氣幕對(duì)煙氣蔓延有較強(qiáng)的阻擋作用，在一定程度上可以阻擋煙氣蔓延至相鄰車廂；機(jī)械排煙在降低煙氣溫度與濃度方面的效果比空氣幕系統(tǒng)明顯。

3)每個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的控?zé)熜Чh(yuǎn)不及機(jī)械排煙系統(tǒng)與空氣幕的復(fù)合系統(tǒng)明顯。綜合考慮防排煙的有效性和經(jīng)濟(jì)性，在本文設(shè)定工況下，V1=1.12 m3/s，V2=1.62 m3/s為最優(yōu)防排煙組合方式。

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