地鐵列車火災(zāi)轟然時熱釋放速率計算

朱中杰 畢海權(quán) 羅開強 陳 霖

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地鐵列車火災(zāi)轟然時熱釋放速率計算

朱中杰1畢海權(quán)1羅開強2陳 霖1

（1.西南交通大學機械工程學院 成都 610031；2.中車唐山機車車輛有限公司 唐山 063000）

采用統(tǒng)計法的原理對地鐵列車發(fā)生轟燃時的熱釋放速率大小進行計算。以錐形量熱儀中測試得到的各材料熱釋放曲率曲線為基礎(chǔ)，并根據(jù)各材料的表面積及用量統(tǒng)計結(jié)果，計算得到整個地鐵車輛的熱釋放曲率曲線，為車輛防火設(shè)計時可燃材料的選取及布置提供依據(jù)，以及為隧道通風系統(tǒng)設(shè)計容量提供依據(jù)。

地鐵列車火災(zāi)；轟燃；熱釋放速率；HRR

0 引言

火災(zāi)熱釋放速率[1]是可燃物燃燒時單位時間內(nèi)釋放出的熱量[2]，它隨時間的變化而變化，能夠表征火災(zāi)[3]大小，預(yù)測有關(guān)火焰蔓延速度[4]、熱量及煙氣產(chǎn)生量，提供可用于安全疏散的時間以及撲滅火災(zāi)可釆取的最有效方法等信息，同時，火災(zāi)熱釋放速率也是比較火災(zāi)行為以及評價火災(zāi)對附近其它可燃物影響最可靠的數(shù)據(jù)，是描述火災(zāi)最重要的參數(shù)。在火災(zāi)數(shù)值模擬中，火場的可見度[5]、溫度場、氧氣濃度、煙氣層高度、火羽流的卷吸[6]特性等參數(shù)都是以火災(zāi)熱釋放速率為基礎(chǔ)進行計算的。在消防工程設(shè)計中確定了火災(zāi)熱釋放速率的變化規(guī)律可以定量評估分析建筑物的火災(zāi)危險性。在消防性能化設(shè)計[7]中的關(guān)鍵步驟是火災(zāi)場景的設(shè)定以及定量分析火災(zāi)發(fā)生過程，這些都是以熱釋放速率隨時間變化為基礎(chǔ)而展開的，熱釋放速率設(shè)定越接近實際情況，計算得到的結(jié)果越準確可靠。因此，在我國地鐵高速發(fā)展的情況下，進行地鐵車輛熱釋放速率[8]研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

圖1是地鐵車輛火災(zāi)發(fā)展的基本規(guī)律。從圖1中可以看出，在火災(zāi)進入全盛期之前，熱釋放速率、溫度、產(chǎn)煙量快速上升的階段為轟燃階段。

圖1 地鐵車輛火災(zāi)發(fā)展基本規(guī)律

在地鐵車輛火災(zāi)熱釋放速率研究中，轟燃階段的熱釋放速率研究尤為重要。轟燃現(xiàn)象發(fā)生后，室內(nèi)所有可燃物會在短時間內(nèi)全面著火，燃燒速率和溫度急劇上升，火場人員逃生和消防員滅火難度極大。因此，預(yù)測轟燃時的熱釋放速率大小，對火災(zāi)初期抑制轟燃發(fā)生和根據(jù)轟燃后火災(zāi)變化規(guī)律及時調(diào)整滅火戰(zhàn)術(shù)有著非常重要的意義。轟燃階段的熱釋放速率大小不同于局部燃燒的熱釋放速率大小，它是指該空間內(nèi)所有可燃材料一起燃燒所達到的熱釋放速率，雖然是一種理想化的燃燒狀態(tài)，在現(xiàn)實火災(zāi)場景中很難發(fā)生，但所計算得到的結(jié)果能夠為車輛防火設(shè)計時可燃材料的選取及布置提供依據(jù)，以及為隧道通風系統(tǒng)設(shè)計容量提供依據(jù)。

1 地鐵火災(zāi)轟燃計算方法分析

本文將采用統(tǒng)計法對某城市地鐵列車發(fā)生轟燃時可能達到的最大熱釋放速率進行計算。

《ISO 5660數(shù)據(jù)在英國鐵路標準和火災(zāi)安全案例中的應(yīng)用》中特別介紹了隧道中運行的機車車輛在最壞情況下著火的熱釋放速率評估方法，主要用于評估列車發(fā)生轟燃時的熱釋放速率。該應(yīng)用中主要介紹了兩種評估列車功率載荷的方法。

一種是用給出的汽車總熱量除以燃燒停止的時間來評估列車火災(zāi)（熱量）載荷的趨勢。但是，此方法的有效性有待商榷。首先，熱載荷沒有給出可靠的能量指標；其次，燃燒停止的時間通常選擇事件發(fā)生之后的時間，只給出了一個適當?shù)妮敵龉β省９蚀朔椒ê苌俨捎谩?/p>

另一種評估列車火災(zāi)載荷的方法是以常見的探測技術(shù)為基礎(chǔ)進行評估。該評估方法要求列車內(nèi)飾表面按照ISO 5660標準進行測試，得到熱輸出隨時間的變化曲線，然后根據(jù)面積縮放到汽車內(nèi)部各種各樣的可燃材料表面，最后根據(jù)汽車內(nèi)部表面的面積按照比例計算得到輸出功率后再求和。

以數(shù)學的形式表述此計算過程，其形式如下：

（2）

式中：q表示在某時刻的單位面積熱釋放速率；A表示某材料的表面積；Q表示在某時刻燃燒的熱釋放速率；表示所有可燃材料在某時刻燃燒的熱釋放速率。

以圖表的形式表述此研究過程如圖2所示。在時刻，=1+2+3；圖中的總熱釋放速率隨時間變化曲線為各曲線1、2、3隨時間變化的疊加。

因此根據(jù)材料單位面積熱釋放速率隨時間變化曲線和其表面積，就可以計算出整車可燃材料一起點燃時的熱釋放速率隨時間變化曲線。采用統(tǒng)計法對地鐵車輛轟燃時熱釋放速率進行計算時，需要通過實驗確定可燃材料的釋放速率曲線和統(tǒng)計出各可燃材料的表面積。

2 材料熱釋放速率測試

2.1 可燃材料熱釋放速率測試

本文通過采用錐形量熱儀對地鐵列車各可燃材料進行燃燒實驗，得到各可燃材料燃燒隨時間變化曲線，圖3為進行燃燒實驗的錐形量熱儀。

錐形量熱儀測量非金屬材料的熱釋放速率曲線是基于氧消耗原理。氧消耗原理是指大多數(shù)固體材料完全燃燒每消耗一單位質(zhì)量的氧氣所釋放的熱量基本相同（13.1±0.05MJ/kg·O2）。實驗通過測定設(shè)在煙氣排放干管內(nèi)的煙氣流經(jīng)孔板前后的壓差和孔板處的煙氣溫度，然后利用式（3）計算煙氣的質(zhì)量流量。

在實驗過程中，同時測定孔板處煙氣的組分，用下式計算材料在燃燒過程中的熱釋放速率。

式中：材料燃燒消耗單位質(zhì)量氧氣放出的能量，13.1MJ/kg；為進入系統(tǒng)空氣中O2的摩爾分數(shù)；為煙氣中O2的摩爾分數(shù)。

通過錐形量熱儀測試得到各可燃材料熱釋放速率曲線。以風擋棚布、回風道吸音材、軟風道可燃材料單位面積熱釋放速率曲線為例，各材料單位面積熱釋放速率實驗曲線如圖4～圖6所示。

2.2 可燃材料表面積

本文以某地鐵車輛為研究對象，該地鐵車輛可燃材料的種類、表面積如表1所示，從表中可以看出該地鐵列車可燃材料中，分布最廣的是膠、油漆涂層和防寒材，其次是地板布橡膠、地板橡膠條、車頂供風道隔熱材和座椅面板玻璃鋼，這些材料布滿了整個車廂，一旦引燃，極其容易發(fā)生轟燃現(xiàn)象。

表1 地鐵車輛可燃材料表面積

3 計算結(jié)果

3.1 各可燃材料熱釋放速率統(tǒng)計結(jié)果

以可燃材料風擋棚布、回風道吸音材、軟風道為例，計算各材料熱釋放速率隨時間變化曲線。

風擋棚布單車表面積30m2，根據(jù)其單位面積熱釋放速率曲線，計算整車風擋棚布熱釋放速率隨時間變化，計算結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出，整車風擋棚布燃燒時的熱釋放速率最大值為6.8MW。

回風道吸音材單車表面積30m2，根據(jù)其單位面積熱釋放速率曲線，計算整車回風道吸音材熱釋放速率隨時間變化，計算結(jié)果如圖8所示，從圖中可以看出，整車回風道吸音材燃燒時的熱釋放速率最大值為3.2MW。

圖8 吸音材熱釋放速率曲線

軟風道單車表面積1.32m2，根據(jù)其單位面積熱釋放速率曲線，計算整車軟風道熱釋放速率隨時間變化，計算結(jié)果如圖9所示，從圖中可以看出，整車軟風道燃燒時的熱釋放速率最大值為0.45MW。

圖9 軟風道熱釋放速率曲線

3.2 整車熱釋放速率統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)計算出的各個可燃材料的熱釋放速率曲線，將所有曲線隨時間變化一起疊加，由此得到整車所有可燃材料一起燃燒時的熱釋放速率曲線，計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 地鐵整車熱釋放速率

從圖10中可以看出：火災(zāi)開始時，由于部分內(nèi)裝材料首先燃燒，熱釋放速率快速升高并出現(xiàn)第一個峰值；隨著部分內(nèi)裝材料的燃燒殆盡，熱釋放速率開始下降；但是由于燃燒繼續(xù)進行，其它著火點較高的可燃材料被點燃，熱釋放速率上升達到峰值；隨著可燃材料的燃燒質(zhì)量下降，熱釋放速率下降；在大約320s左右，由于電線及電纜燃燒劇烈，使得整車的熱釋放速率開始回升，并維持在一個穩(wěn)定值，直至全部可燃材料燃燒殆盡后，火災(zāi)熄滅。從圖中還可以看出：整車完全燃燒熱釋放速率最大值約為16.8MW。

熱釋放速率統(tǒng)計法計算的是列車轟燃時的熱釋放速率，是在一定條件下，列車上所有可燃材料全部燃燒時的熱釋放速率。中國礦業(yè)大學程元平教授實測地鐵車廂發(fā)生轟燃時的熱釋放速率為23.5MW，大多研究學者對地鐵列車熱釋放速率的研究結(jié)果集中在5～20MW，發(fā)生轟燃時的熱釋放速率在15～20MW。而在上述計算中得到的某城市地鐵車輛發(fā)生轟燃時的熱釋放速率為16.8MW，在合理范圍內(nèi)，因此可知，采用熱釋放速率統(tǒng)計法對地鐵列車轟燃時的熱釋放速率進行計算是可行的。

4 結(jié)論

通過對熱釋放速率統(tǒng)計法的研究，并且采用此方法對某城市地鐵列車熱釋放速率進行評估，計算得到某城市地鐵列車發(fā)生轟燃時的最大熱釋放速率為16.8MW，在合理范圍之內(nèi)。由此可知，此方法能夠較為準確、快速地計算地鐵車輛發(fā)生轟燃時的熱釋放速率，為隧道通風設(shè)計及地鐵車輛可燃材料的選取提供依據(jù)。

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The Flashover Heat Release Rate Calculation of Metro Fire

Zhu Zhongjie1Bi Haiquan1Luo Kaiqiang2Chen Lin1

( 1.Mechanical Engineering of southwest jiaotong university, Chengdu, 610031;2.CRRC Tangshan Co., Ltd, Tangshan, 063000 )

In this paper, by using principle of statistics when flashover occurs on the subway train, intend to calculate the size of HRR(heat release rate). This paper base on various materials heat release rate curve that test in the cone calorimeter, as well as statistical results of surface area and consumption of each material, then calculate to get the heat release curve of curvature for metro vehicles, in order to provide the basis for selecting and arranging the combustible materials when design metro vehicles fire prevention, and provide the basis for tunnel ventilation system design capacity.

metro fire; emergency; heat release rate; HRR

1671-6612（2017）04-355-04

TU998.1

A

朱中杰（1990.7-），男，在讀碩士研究生，E-mail：553675193@qq.com

畢海權(quán)（1974-），男，博士，教授，E-mail：bhquan@163.com

2016-05-31