基于FDS的行李架對高速列車客室火災(zāi)影響的研究

茍琦林 畢海權(quán) 李 盎

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基于FDS的行李架對高速列車客室火災(zāi)影響的研究

茍琦林 畢海權(quán) 李 盎

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

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，列車火災(zāi)安全問題日益受到重視。利用FDS建立了我國某型高速列車二等座車廂火災(zāi)數(shù)值計算模型，對可燃行李架和不可燃行李架兩種特定火災(zāi)工況進(jìn)行了數(shù)值計算，研究了行李架對高速列車客室火災(zāi)的影響。研究結(jié)果表明，行李架對客室火災(zāi)有顯著的影響，不僅能影響火災(zāi)發(fā)展速度，還可以影響熱釋放速率峰值。

FDS；高速列車；客室火災(zāi)；行李架

0 引言

近年來，我國高速鐵路快速發(fā)展、取得了舉世矚目的成就。京滬高鐵、哈大高鐵、西成客專、貴廣高鐵等高速鐵路相繼建成通車并投入運營，截止2016年底，我國建成通車高速鐵路運營里程達(dá)到2.2萬公里以上，居世界第一位。隨著“一帶一路”和高鐵“走出去”戰(zhàn)略的實施，我國高速鐵路技術(shù)必將得到更大的發(fā)展。高速鐵路快速發(fā)展的同時，高速列車運行安全問題也不容忽視。列車空間狹小、氣密性好、人員密集，如果列車客室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣和熱量難以散發(fā)、乘客疏散困難，乘客生命安全會受到嚴(yán)重威脅。巴庫、大邱地鐵火災(zāi)以及發(fā)生在埃及印度等地的列車火災(zāi)事故[1,2]均表明列車火災(zāi)事故極易造成群死群傷的災(zāi)難性后果。

國外對列車火災(zāi)的研究主要集中在歐洲、美國、澳大利亞、加拿大等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)[3,6]，由于我國在列車火災(zāi)研究領(lǐng)域起步較晚，目前對高速列車客室火災(zāi)發(fā)展特性的研究仍較少。

對于墻角火災(zāi)情形或者發(fā)生在靠近側(cè)墻座椅處的火災(zāi)情形，火焰在貼壁效應(yīng)下沿可燃側(cè)墻豎直向上蔓延，行李架將對豎直向上蔓延的火焰產(chǎn)生一定影響進(jìn)而影響火災(zāi)發(fā)展過程。目前，國內(nèi)外對行李架對客室火災(zāi)影響的研究涉及較少。1984年，美國NIST通過一組列車全尺寸局部火災(zāi)實驗研究了行李架的燃燒性能對火災(zāi)過程的影響[7]。但該研究僅僅涉及列車車廂內(nèi)局部火災(zāi)過程，并未對行李架對整車火災(zāi)發(fā)展過程的影響進(jìn)行研究。

本文以我國某型高速列車為研究對象，基于FDS程序采用數(shù)值計算方法對行李架對高速列車客室火災(zāi)發(fā)展的影響進(jìn)行了深入研究。

1 數(shù)值計算模型

本文以我國某型高速列車二等座車廂為研究對象，如圖1和圖2所示分別為列車客室斷面和平面布局。車輛尺寸約為24.2m×3.36m×3.89m，定員85人，座椅采用2+3布置。兩側(cè)各設(shè)置十個車窗，其中3個緊急逃生窗，如圖3車輛側(cè)視圖所示。

圖1 客室斷面圖

圖2 客室平面布局

圖3 車輛側(cè)視圖

根據(jù)列車設(shè)計資料，利用FDS程序前處理軟件Pyrosim建立如圖4所示的列車火災(zāi)數(shù)值計算模型。FDS中提供了兩種模擬固體材料燃燒過程的方法：熱解反應(yīng)法和HRRPUA法。熱解反應(yīng)法采用Arrhenius模型來模擬材料熱解反應(yīng)，所需參數(shù)較多，工作量和復(fù)雜程度均較大。HRRPUA法需要利用錐形量熱儀測試獲取材料單位面積熱釋放速率曲線、產(chǎn)煙量、CO產(chǎn)量等相關(guān)數(shù)據(jù)，相對簡單和應(yīng)用更普遍，目前國內(nèi)外常采用該方法進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值計算。本文決定采用HRRPUA法模擬固體材料燃燒過程。模型建立過程中主要考慮頂板、側(cè)墻、地板、間壁、座椅等主要可燃表面，忽略面積較小對客室火災(zāi)發(fā)展影響較小的可燃表面。數(shù)值模擬所需的材料單位面積熱釋放速率由錐形量熱儀測試得到，在此不再贅述。

圖4 列車客室火災(zāi)數(shù)值計算模型

高速列車可燃物數(shù)量較多、火災(zāi)荷載密度較大，而開口一般情況下比較有限（車門），高速列車客室火災(zāi)屬于典型的受限空間火災(zāi)。但高速列車車廂具有數(shù)量較多的車窗，玻璃在火災(zāi)高溫作用下容易破裂脫落形成新的通風(fēng)開口，玻璃破裂行為對列車客室火災(zāi)發(fā)展有很大的影響。為正確模擬列車客室火災(zāi)的發(fā)展過程，本文參考文獻(xiàn)[8]將列車車窗破裂溫差設(shè)置為600℃。

環(huán)境溫度取25℃，網(wǎng)格尺寸參考文獻(xiàn)[9]取為0.05m，計算區(qū)域在列車各個方向上外擴(kuò)1.5m，如圖5所示。計算區(qū)域四周和頂部設(shè)置為壓力出口邊界，壓力取1個大氣壓，以此模擬列車在開敞環(huán)境中的燃燒。

圖5 計算區(qū)域設(shè)置

沿車廂縱向方向在頂板下方10cm高度間隔1m布置溫度測點記錄車廂內(nèi)火災(zāi)熱煙氣層溫度變化。同時，在火源附近區(qū)域頂板下方布置若干溫度測點監(jiān)測火災(zāi)發(fā)展過程中火源附近上方區(qū)域煙氣層溫度變化情況。

2 計算工況

火源位置和火源功率是影響列車客室火災(zāi)發(fā)展的非常重要的兩個因素。受限腔室中墻角火源是最危險的一種火災(zāi)情形，其原因在于空氣卷吸受限形成貼壁火焰導(dǎo)致火焰高度增加進(jìn)而使煙氣層溫度增加，同時貼壁火焰可以快速引燃兩面墻上的可燃壁面材料，大大增強客室內(nèi)火災(zāi)強度。本文將火源設(shè)置于一位端側(cè)客室角落地板上，這也參考了ISO 9705標(biāo)準(zhǔn)房間墻角火實驗方法。如圖6所示。

圖6 火源位置示意圖

圖7 可燃行李架材料單位面積熱釋放速率

高速列車火災(zāi)事故有很大的不確定性，其發(fā)生火災(zāi)事故的火源功率也具有很大隨機(jī)性，潛在火災(zāi)原因可能是行李失火、人為縱火引燃的汽油以及電氣故障失火等。歐盟列車防火標(biāo)準(zhǔn)EN 45545—2013中對列車防火設(shè)計應(yīng)該考慮的點火模式做出了規(guī)定。EN 45545—2013中第五種點火模式（較大火災(zāi)規(guī)模）主要模擬人為縱火或者行李失火情形，該點火模式為75kW持續(xù)輸出兩分鐘，然后150kW持續(xù)輸出八分鐘[10]。本文參考EN45545標(biāo)準(zhǔn)，采用輸出功率恒定為150kW的火源。模擬中開啟一側(cè)兩個車門，另外一側(cè)兩個車門和兩端端門關(guān)閉。

本文主要考慮可燃行李架和不可燃行李架兩種特定工況。錐形量熱儀測試得到的可燃行李架材料單位面積熱釋放速率如圖7所示。不可燃行李架工況將行李架設(shè)置為Inert邊界。

3 數(shù)值計算結(jié)果及分析

3.1 熱釋放速率計算結(jié)果

如圖8所示為可燃行李架及不可燃行李架兩種工況下客室火災(zāi)熱釋放速率曲線。顯然，兩種工況下的客室火災(zāi)熱釋放速率曲線存在顯著差別。可燃行李架工況火災(zāi)熱釋放速率峰值比不可燃行李架工況大。行李架為可燃材料時熱釋放速率在1000s左右開始快速增長，火災(zāi)熱釋放速率在1470s左右達(dá)到最大值38.4MW。而當(dāng)行李架為不可燃材料時，熱釋放速率增長最慢，在大約1200s時才開始快速增長，在1648s時達(dá)到其熱釋放速率峰值23.8MW。由此可見，兩種特定火災(zāi)工況下客室火災(zāi)發(fā)展過程也存在著明顯的不同。

圖8 火災(zāi)熱釋放速率

3.2 火災(zāi)發(fā)展過程

轟燃是受限空間火災(zāi)中的一種特殊火行為，轟燃的發(fā)生往往意味著火災(zāi)進(jìn)入充分發(fā)展階段。目前，國內(nèi)外公認(rèn)的轟燃判據(jù)為：

（1）腔室上部熱煙氣層平均溫度達(dá)到600℃；

（2）腔室地板平面獲得的輻射熱通量達(dá)到20kW/m2；

（3）火焰覆蓋頂棚并在開口形成持續(xù)噴出火焰。

本文以熱煙氣層溫度達(dá)到600℃為轟燃判定標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)數(shù)值計算中對客室內(nèi)熱煙氣層溫度的監(jiān)測結(jié)果，得到兩種工況下列車客室不同位置處熱煙氣層溫度達(dá)到600℃時間如圖9所示，縱坐標(biāo)距離以車廂一位端側(cè)端墻為原點。圖9中還給出了擬合直線，擬合直線斜率可以表示為轟燃區(qū)域沿車廂縱向方向擴(kuò)展速度，表征客室火災(zāi)蔓延速度的大小。從圖9中可以看出，不可燃行李架工況各區(qū)域轟燃時間晚于可燃行李架工況?？扇夹欣罴芎筒豢扇夹欣罴軆煞N工況下轟燃區(qū)域擴(kuò)展速度分別為1.9m/min和1.4m/min。顯然，當(dāng)采用不可燃行李架時火災(zāi)蔓延速度比可燃行李架火災(zāi)蔓延速度慢。由此可見，行李架不僅能影響客室火災(zāi)發(fā)展速度還能影響火災(zāi)熱釋放速率峰值即火災(zāi)規(guī)模。

圖9 不同工況客室各位置轟燃發(fā)生時間

雖然可燃行李架單位面積熱釋放速率峰值達(dá)到了301.5kW/m2，但相對客室內(nèi)側(cè)墻、頂板、座椅等可燃表面而言，行李架面積要小得多。所以，行李架本身燃燒對客室火災(zāi)熱釋放速率最大值的影響較小，造成圖8所示不同工況熱釋放速率峰值差異的原因在于行李架對客室火災(zāi)發(fā)展過程產(chǎn)生了顯著的影響。不可燃行李架工況由于火災(zāi)蔓延速度慢，同時參與燃燒的可燃物較少，造成其熱釋放速率峰值較小。如圖10所示為火災(zāi)充分發(fā)展階段客室溫度分布（頂板下方10cm）?？扇夹欣罴軙r客室溫度分布梯度較小，普遍在1000℃以上，說明此時客室內(nèi)燃燒程度普遍較強；而不可燃行李架時客室溫度分布梯度要大得多，說明客室不同區(qū)域燃燒強弱程度不一致。

圖10 火災(zāi)充分發(fā)展階段客室溫度分布

3.3 影響原因分析

如圖11所示為火源附近區(qū)域頂板下方煙氣平均溫度。從圖11中可以看出，可燃行李架和不可燃行李架工況火源上方區(qū)域平均煙氣溫度雖然在約500s以前相差不大，但在500s以后二者變化趨勢明顯不同?？扇夹欣罴芄r頂板下方煙氣平均溫度上升速度比不可燃行李架要快。二者達(dá)到1000℃以上溫度時間分別1050s和1354s。

圖11 火源附近熱煙氣層平均溫度

豎直向上蔓延的火焰受到行李架的阻隔，一定時間內(nèi)無法繼續(xù)蔓延至頂板高度，行李架此時的作用類似于建筑中的防火挑檐?；鹧鏁谝欢螘r間內(nèi)沿著行李架下表面縱向蔓延，顯然，采用可燃材料行李架時該縱向蔓延距離遠(yuǎn)于不可燃行李架。隨著火源附近座椅、可燃行李架的燃燒，火源上方煙氣層溫度逐漸升高，當(dāng)火源上方頂板受熱溫度升高至點燃溫度時頂板即被引燃。由于不可燃行李架工況下，火源附近區(qū)域燃燒產(chǎn)生的熱量相對較少，所以其溫度上升較慢。進(jìn)而影響了頂板被引燃的時間，延緩了火焰在頂板上的傳播使得室內(nèi)燃燒產(chǎn)生熱量的減少，造成了火災(zāi)發(fā)展速度的減慢。

4 結(jié)論

本文通過對可燃行李架和不可燃行李架兩種特定火災(zāi)工況的數(shù)值計算，對行李架對高速列車客室火災(zāi)發(fā)展過程的影響進(jìn)行了研究，可以得到以下結(jié)論：

（1）行李架對高速列車客室火災(zāi)有重要影響，不僅能影響火災(zāi)發(fā)展速度，還能影響熱釋放速率峰值。

（2）為延緩火災(zāi)危險性較大的墻角火發(fā)展速度，增強高速列車火災(zāi)安全性能，應(yīng)增強行李架材料的阻燃性能、優(yōu)化行李架安裝結(jié)構(gòu)（保證火災(zāi)高溫下短時間內(nèi)行李架與側(cè)墻間無縫隙出現(xiàn)），確保初期火焰難以快速蔓延至客室頂板。

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Study on the Influence of Luggage Rack on Passenger Compartment Fire in High Speed Train Based on FDS

Gou Qilin Bi Haiquan Li Ang

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

With the rapid development of high-speed railway in China, the fire safety problem has been paid more and more attention. The paper builds a fire numerical model for a high-speed train in China by using FDS, and then studies the effect of the luggage rack on the passenger compartment fire of high speed train for two specific fire situation: combustible luggage rack and non-combustible luggage rack. The research results show that the luggage rack has a significant impact on the passenger compartment fire, it not only affects the development speed of fire, but also the peak of heat release rate.

FDS; high speed train; passenger compartment fire; luggage rack

U298.4

A

1671-6612（2019）02-103-05

國家重點研發(fā)計劃（高速列車火災(zāi)燃燒特性及火災(zāi)條件下列車運行環(huán)境與疏散耦合技術(shù)研究2016YFB1200403-B-01）

茍琦林（1993.1-），男，在讀碩士研究生，E-mail：2546559373@qq.com

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

2018-05-10