高速列車火災(zāi)熱釋放速率計(jì)算方法研究

李智國， 厲志強(qiáng)， 劉偉明

(中車青島四方股份機(jī)車車輛股份有限公司， 山東青島 266000)

中國高速鐵路是目前世界上最大規(guī)模的高速鐵路網(wǎng)，始建設(shè)于2004年，至今總里程2.2萬km, 到2020年中國速度在200 km/h以上的高速鐵路里程將會超過3萬km。同時(shí)中國的高鐵正在走出國門，參與了多個(gè)國家項(xiàng)目的競標(biāo)，如美國 、俄羅斯、 印尼等。為了提升高速列車的競爭力，列車的消防安全性能越來越被重視。這其中熱釋放速率便是列車消防安全設(shè)計(jì)指標(biāo)中非常重要的一個(gè)參數(shù)，由于列車的熱釋放速率參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)與列車構(gòu)造、材料屬性等因素有關(guān)，目前在國際上雖然對此有很多研究，但影響因素較為復(fù)雜，對此設(shè)計(jì)參數(shù)并未有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

在20世紀(jì)， 國內(nèi)外的鐵路基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展迅速，為了隧道工程、列車站臺建筑的火災(zāi)安全，于是在其內(nèi)部設(shè)計(jì)了排煙系統(tǒng)。根據(jù)火災(zāi)工程原理，排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的參數(shù)之一便是火災(zāi)熱釋放速率， 煙氣的產(chǎn)生量與熱釋放速率有直接的關(guān)系。在這期間國內(nèi)外的火災(zāi)工程專家為了保證列車建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施(隧道、站臺等)的安全，對列車熱釋放速率進(jìn)行了的廣泛的研究。為了保證在這些基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)營的列車可符合其列車熱釋放速率的要求，本文將從列車設(shè)計(jì)、制造角度出發(fā)分析研究列車熱釋放速率，分析采用哪種合適的方法來說明列車的熱釋放速率特性，以表明列車的安全性能與基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)有完善的銜接，保證整體安全。

1 列車火災(zāi)熱釋放速率參數(shù)的意義及影響

熱釋放速率指的是單位時(shí)間內(nèi)的熱釋放量， 這個(gè)參數(shù)除了在上面簡單提及對排煙的設(shè)計(jì)影響外，主要對以下的幾方面設(shè)計(jì)有影響：

1.1 引導(dǎo)人員安全及救援設(shè)計(jì)

人員在火災(zāi)情況下是否能安全疏散與列車的熱釋放速率有很大關(guān)系，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫、煙氣濃度等直接影響人員安全疏散環(huán)境的因素，因此對列車隧道、站臺及列車內(nèi)部的的疏散系統(tǒng)設(shè)計(jì)(疏散門、安全救援點(diǎn))等具有指導(dǎo)意義。

1.2 引導(dǎo)排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)火災(zāi)工程原理，排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的參數(shù)之一便是火災(zāi)熱釋放速率， 煙氣的產(chǎn)生量與熱釋放速率有直接的關(guān)系。熱釋放速率直接關(guān)系到排煙量的設(shè)計(jì)，排煙風(fēng)機(jī)的選型等。

1.3 引導(dǎo)結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)

列車的隧道、橋梁、站臺等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常常比較復(fù)雜，火災(zāi)情況下尤為甚之，其結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與平常設(shè)計(jì)情況下有區(qū)別，所以熱釋放速率的確定對結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)也有很大的意義。

1.4 引導(dǎo)設(shè)備的耐高溫設(shè)計(jì)

在列車運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施中隧道、站臺等很多設(shè)備是需要在火災(zāi)情況下仍然保持其運(yùn)行能力，列車內(nèi)部的設(shè)備也會有同樣的要求。 研究清楚列車的熱釋放速率對列車這些設(shè)備的耐高溫作業(yè)設(shè)計(jì)有著很大的指導(dǎo)作用。

可見高速列車熱釋放速率的研究對工程設(shè)計(jì)多方面都很有意義。

2 列車火災(zāi)熱釋放速率研究方法

國內(nèi)外對乘客列車的熱釋放速率做了很多的研究，研究方法主要可分為以下幾類：

2.1 理論模型—平均熱釋放速率計(jì)算方法Average HRR Calculation

在此方法中，對車廂內(nèi)外所有的可燃材料的熱值進(jìn)行計(jì)算。方法中將火災(zāi)發(fā)展分成若干個(gè)階段，在每個(gè)時(shí)間內(nèi)認(rèn)為的熱釋放速率是一定的，熱釋放速率需假設(shè)燃燒時(shí)間及燃燒效率，某時(shí)間段內(nèi)的熱釋放速率可由以下公式計(jì)算獲得：

Q=ηH/t

其中，Q為熱釋放速率(MW)；η為燃燒效率；H為總的熱值(MJ)。

為了使其更加能反應(yīng)的火災(zāi)熱釋放速率曲線，此方法中會對各個(gè)時(shí)間階段消耗的總熱量進(jìn)行理論分配，通過一系列的理論假設(shè)得出車廂的火災(zāi)規(guī)模。KCRC香港鐵路公司在其中項(xiàng)目中便利用了此方法對列車的火災(zāi)熱釋放速率進(jìn)行計(jì)算。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合理論模型

2.2.1Duggan方法

Gary J Duggan方法認(rèn)為當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到轟燃階段時(shí)火災(zāi)熱釋放速率達(dá)到其峰值，所以研究轟燃階段的火災(zāi)熱釋放速率是列車火災(zāi)熱釋放速率計(jì)算的最不利場景。

在此方法中利用錐形量熱儀測得列車內(nèi)各種非金屬材料不同平面材料單位面積內(nèi)熱釋放速率隨時(shí)間變化的曲線。部件或某平面的總熱釋放速率為單位面積熱釋放速率乘以面積。對每個(gè)部件或平面的熱釋放速率疊加后可以得出車廂內(nèi)總的熱釋放速率。為了使總的熱釋放曲線更符合實(shí)際情況，會對曲線進(jìn)行平滑處理，處理后的曲線認(rèn)定為列車車廂的熱釋放速率曲線。

其中香港的多條地鐵線的列車火災(zāi)功率由Gary J Duggan 提出的計(jì)算方法確定。此種計(jì)算方法假設(shè)了車廂內(nèi)設(shè)有0.5 MW的行李火以引燃車廂。同時(shí)獲取列車車廂內(nèi)暴露在火災(zāi)下的平面及部件的材料種類及其面積，用錐形量熱儀測出不同材料的熱釋放速率。圖1為機(jī)場快線列車車廂的熱釋放速率曲線。

圖1 機(jī)場快線列車車廂的熱釋放速率曲線

由于Duggan方法假設(shè)車廂內(nèi)所有的可燃材料同時(shí)著火，但實(shí)際情況中車內(nèi)的可燃材料會逐步被引燃，至轟然階段時(shí)才會使所有的可燃物都著火。所以在起火的初始階段，實(shí)際火災(zāi)的功率會比Duggan方法獲得的火災(zāi)功率小。 Duggan方法還有一個(gè)不足之處是在計(jì)算車廂火災(zāi)的時(shí)只考慮了車廂內(nèi)部的可燃物，但沒有考慮車廂底部的設(shè)備。所以這種方法只能確定車廂內(nèi)部的火災(zāi)功率。

2.2.2CSIRO方法

CSIRO (Common wealth Scientific& Industrial Research Organization (Australia)) 曾對已有的列車車廂進(jìn)行火災(zāi)規(guī)模分析研究。其采用的方法與Duggan確定火災(zāi)規(guī)模的方法類似，即采用錐形量熱儀測得車內(nèi)不同材料單位面積的熱釋放速率，再乘以材料面積確定材料的熱釋放速率，車廂內(nèi)部所有材料總的熱釋放速率為各種材料熱釋放速率的疊加。但有別于Duggan 方法，此方法中對于車廂內(nèi)較大的部件如座椅，則采用家具錐形量熱儀測量單個(gè)座椅的熱釋放速率，所有座椅的熱釋放速率即為單個(gè)座椅的熱釋放速率乘以座位數(shù)，同時(shí)CSIRO在計(jì)算列車火災(zāi)功率時(shí)也考慮了列車車廂底部的可燃物。 CSIRO方法中同時(shí)還認(rèn)為列車發(fā)生火災(zāi)后， 并不是所有可燃物馬上全部參與燃燒，而是按照一定速率蔓延，逐步至列車車廂內(nèi)轟然。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合理論計(jì)算的方法中各種較為全面地考慮了列車內(nèi)部各種非金屬材料的熱釋放速率， 較理論模型可真實(shí)的反應(yīng)列車的設(shè)計(jì)情況。 同時(shí)本方法的成本對于列車制造商而言并不是很高，具有可操作性，值得注意的是本方法中在理論計(jì)算部分還是設(shè)置了若干的理論假設(shè)條件，其于實(shí)際情況的符合性還有待進(jìn)一步研究分析。

CSIRO計(jì)算方法中火災(zāi)蔓延的順序是假設(shè)的，呈現(xiàn)了火災(zāi)情況下的火災(zāi)發(fā)展及可能發(fā)生的事件。基于假設(shè)的事件順序可獲得熱釋放速率曲線。列車車廂總的熱釋放速率包含的不同場景下的熱釋放速率曲線。圖2為其中某場景的火災(zāi)熱釋放速率曲線圖。

圖2 火災(zāi)熱釋放速率曲線圖

CSIRO方法中計(jì)算車廂的熱釋放速率需要獲取每種材料的火災(zāi)特性及熱釋放速率，及可燃材料的具體尺寸或數(shù)量。CSIRO方法中車廂總的熱釋放速率還考慮了車廂底部可燃物，但在CSIRO的方法中其火災(zāi)的蔓延速率是假設(shè)的，其真實(shí)性還有待更多的研究確定。

2.3 計(jì)算機(jī)CFD模擬

目前國內(nèi)外學(xué)者也有采用CFD軟件FDS對列車的熱釋放速率進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。計(jì)算機(jī)可以比較方便分析各種變量對列車熱釋放速率的影響。國內(nèi)Jun-min Chen 等對動車的一等車廂、二等車廂和餐車進(jìn)行了FDS 的模擬得出在不同場景下一節(jié)車廂的熱釋放速率范圍為1.89～18.40 MW。加拿大George Hadjisophocleous 等在他們的科研項(xiàng)目中研究了對列車車廂的火災(zāi)，利用FDS和實(shí)際試驗(yàn)分別研究列車在隧道內(nèi)的火災(zāi)特性，在他們的FDS中一節(jié)列車車廂的火災(zāi)功率約為25～40 MW。同時(shí)在研究中指出計(jì)算機(jī)模擬時(shí)材料的屬性輸入對結(jié)果影響很大。

利用計(jì)算機(jī)模擬的方法是一種計(jì)算列車火災(zāi)熱釋放速率比較方便的方法，因其可重復(fù)性，用這種方法分析列車熱釋放速率的影響因素很有效。但其計(jì)算結(jié)果很大程度依賴操研究者的輸入，研究人員需要掌握充分的列車材料熱學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)才會得到比較符合實(shí)際情況的結(jié)果。同時(shí)在研究中發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模型中無法反應(yīng)材料經(jīng)過阻燃處理后的火災(zāi)特性。

2.4 全尺寸模型

隨著學(xué)術(shù)界對列車火災(zāi)安全的重視，國際上也有對列車進(jìn)行全尺寸的試驗(yàn)。比較具有代表性的是1994年開展了EU 499 FIRETUN 項(xiàng)目，其中Haukur Ingaon等人開展了BRANDFORSK 723-924 的子項(xiàng)目，根據(jù)氧耗原理在隧道內(nèi)對多種交通工具進(jìn)行了熱釋放速率全尺寸的試驗(yàn)。其中乘客列車的熱釋放速率14 MW[9]。499 FIRETUN 項(xiàng)目中同樣對德國的不同列車進(jìn)行了全尺寸試驗(yàn)， 其中的快速列車(EXPRESS Railway)最大熱釋放速率為19 MW , 城際列車(German Intercity Passenger Railway)為13 MW 。George Hadjisophocleous等在2012年也對多種列車進(jìn)行了全尺寸試驗(yàn)，其中沙發(fā)列車(coach train)的最大熱釋放速率為32 MW。由于全尺寸試驗(yàn)的成本很高，每一次的試驗(yàn)都是毀滅性的，不具有可重復(fù)性， 同時(shí)對場地及試驗(yàn)設(shè)備的要求較為苛刻，因此全球范圍內(nèi)對列車進(jìn)行全尺寸試驗(yàn)進(jìn)行列車熱釋放速率研究的個(gè)案很少。

3 影響因素分析

總結(jié)上文中提到列車熱釋放速率研究文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，影響列車熱釋放速率的因素有很多，主要為以下幾類：

(1) 列車的可燃物。列車的可燃物熱量總值、火災(zāi)蔓延能力等都直接影響最終列車的最大熱釋放速率的結(jié)果。如地鐵列車內(nèi)由于座椅等采用的是一些不燃材料，其熱釋放速率較軟座列車的熱釋放速率就會小。列車的可燃內(nèi)裝飾材料、電器材料等參與燃燒后也會增大列車的熱釋放速率。

(2) 起火源。在研究文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，起火源熱值不同也會對列車的整車的熱釋放速率有影響。若起火源的能量太小，列車內(nèi)部不會造成火勢的蔓延，起火源大則會加大列車的熱釋放速率。 除了起火源的能量， 起火位置不同也會對火災(zāi)在列車內(nèi)的蔓延會有影響，蔓延情況不同從而導(dǎo)致整車的列車熱釋放速率結(jié)果不同。

(3) 開口狀況。上文提到的列車火災(zāi)熱釋放速率研究有很大一部分是結(jié)合隧道進(jìn)行研究， 其中許多的試驗(yàn)都分析了開口狀況對列車火災(zāi)速率的影響，包括隧道的通風(fēng)狀況和列車的車廂開口狀況。因?yàn)榱熊嚨目臻g較小，很容易是通風(fēng)控制型火災(zāi)，即由火災(zāi)發(fā)生過程中的通風(fēng)狀況決定火災(zāi)的發(fā)展，因此列車發(fā)生火災(zāi)門的開啟狀態(tài)、窗戶和玻璃的破壞時(shí)間都會對熱釋放試驗(yàn)結(jié)果有很大的影響。

(4) 結(jié)構(gòu)耐火。列車因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的分隔被分隔成了不同的區(qū)域，若沒有外界的滅火干預(yù)，不同區(qū)域的可燃物會先后參與列車的火災(zāi)燃燒，因此結(jié)構(gòu)的耐火性能直接影響到火災(zāi)在不同空間的蔓延，從而也將影響列車熱釋放速率的最終輸出結(jié)果。如列車的車廂底部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)在一定時(shí)間內(nèi)只在列車底部進(jìn)行，但隨著時(shí)間發(fā)展，一旦車廂底部的結(jié)構(gòu)耐火性能失效，火即向車廂內(nèi)部蔓延，列車內(nèi)部的可燃物就會參與燃燒。 所以這些不同空間的可燃物以一個(gè)什么樣的時(shí)間順序參與燃燒，貢獻(xiàn)其熱量值，會對列車的熱釋放速率峰值產(chǎn)生很大的影響。

4 小 結(jié)

因?yàn)槟壳坝袑α熊嚐後尫潘俾实脑O(shè)計(jì)要求，本文總結(jié)分析了幾種列車熱釋放速率的方法，其各有利弊，但從實(shí)際可操作性和科學(xué)性角度，認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)合理論分析同時(shí)附以計(jì)算機(jī)模擬分析方法是一種合理并經(jīng)濟(jì)的方法。尤其從列車制造商角度，為了滿足安全設(shè)計(jì)的需求，有必要采用科學(xué)論證的方法來展示列車的消防安全性能，同時(shí)此方法也不會有巨額的成本。

為了控制列車的熱釋放速率，全球范圍內(nèi)并沒有一個(gè)完善的理論體系來說明，國內(nèi)對其的基礎(chǔ)理論研究也甚少，但從各種科學(xué)研究中可發(fā)現(xiàn)影響其結(jié)果的主要為文中分析的幾個(gè)因素。因此作為列車設(shè)計(jì)制造商，可從這些影響因素入手對列車的總熱釋放速率進(jìn)行控制和修正。

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