劉新蕾,周子涵
(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國(guó)家級(jí)專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150022)
高速列車車廂狹長(zhǎng)且封閉,發(fā)生火災(zāi)后高溫?zé)煔饴铀俣葮O快,會(huì)迅速充滿車廂,有統(tǒng)計(jì)表明,因火災(zāi)產(chǎn)生有毒有害煙氣而造成的人員窒息傷亡占60%~80%[1]。火災(zāi)初期控制車廂內(nèi)煙氣蔓延并及時(shí)排出高溫?zé)煔?,是高速列車火?zāi)亟需解決的難題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于車廂內(nèi)部火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律及控制技術(shù)開(kāi)展了一系列研究。張培紅等[2]基于FDS模擬,研究了地鐵車廂火災(zāi)在細(xì)水霧及機(jī)械排煙耦合作用下的滅火效果。代君雨[3]通過(guò)理論計(jì)算得到了高速列車一節(jié)車廂的火源功率及火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)并模擬了車廂在外側(cè)車門和逃生窗開(kāi)閉狀態(tài)下的煙氣流動(dòng)情況。李鎮(zhèn)韜等[4]研究了不同逃生窗打開(kāi)方式對(duì)車廂熱釋放速率的影響以及發(fā)生火災(zāi)時(shí)不同的火源功率下是否應(yīng)打開(kāi)逃生窗。王愛(ài)武等[5]探討了旅客攜帶行李的重量以及車窗的開(kāi)閉狀態(tài)對(duì)車廂火災(zāi)熱釋放速率的影響。Anders等[6]基于1/3列車車廂模型研究了火災(zāi)荷載量對(duì)火災(zāi)及煙氣蔓延的影響并進(jìn)行了局部發(fā)生轟燃的參數(shù)測(cè)試。在火災(zāi)煙氣流動(dòng)控制方面,余明高[1]、陳靜[7]等研究了機(jī)械排煙和空氣幕耦合作用對(duì)煙流分布的影響。覃道樅[8]等運(yùn)用FDS模擬了不同通風(fēng)條件下車廂內(nèi)部的煙氣擴(kuò)散,并指出機(jī)械排煙與火源附近外窗開(kāi)啟隨時(shí)間推移排煙效果逐漸下降。程友鵬[9]提出車廂頂部開(kāi)窗方案并分析了開(kāi)窗面積、加壓送風(fēng)組合排煙窗及自然排煙條件下的防排煙效果。
上述模擬研究主要集中于火災(zāi)發(fā)生車廂的煙氣流動(dòng)規(guī)律,且均在靜態(tài)條件下進(jìn)行,未考慮煙氣對(duì)鄰近車廂的影響和控制設(shè)施的聯(lián)動(dòng)。筆者基于前人研究的基礎(chǔ),運(yùn)用FDS軟件對(duì)車廂進(jìn)行物理建模,采取空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)研究列車中部發(fā)生火災(zāi)后的煙氣擴(kuò)散規(guī)律及對(duì)相鄰車廂的影響,通過(guò)不同排煙措施聯(lián)動(dòng)下的溫度、能見(jiàn)度分析,得到最優(yōu)排煙方案。
高速列車發(fā)生火災(zāi)的過(guò)程中空氣運(yùn)動(dòng)與煙氣的運(yùn)移一般屬于湍流流動(dòng),結(jié)合FDS軟件提供的直接模擬和大渦模擬兩種方法,采用能得到較為精確的解并且計(jì)算量較小的大渦模擬對(duì)高速列車火災(zāi)的煙氣流動(dòng)情況進(jìn)行仿真模擬計(jì)算[10]。紊流控制方程組方程為
(1)
式中:ui,uj——速度矢量,m/s,i,j=1,2,3,…;
p——壓強(qiáng)/Pa;
t——時(shí)間,s;
ρ——密度,kg/m3;
μ——運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s;
Sij——流體應(yīng)變率張量。
τij為亞格子應(yīng)力,代表小渦對(duì)大渦的影響,基于Smagorinsky模型,τij具有下面的形式:
(2)
μLES為亞格子尺度的湍流黏性系數(shù),與運(yùn)動(dòng)黏度量綱同為m2/s,
(3)
式中:Cs——Smagorinsky常數(shù);
δ——濾波寬度/m。
物理模型選取自國(guó)內(nèi)某型號(hào)高速列車,建立了二等座、一等座、餐車3節(jié)車廂聯(lián)合體作為研究對(duì)象,內(nèi)部設(shè)施盡可能還原列車實(shí)際情況。對(duì)列車車廂主體框架及材料用量較多的部件按照實(shí)際情況建模,細(xì)小部件忽略不計(jì)。單節(jié)車廂尺寸為26 m×4 m×3 m,每節(jié)車廂均在同一側(cè)設(shè)7個(gè)緊急逃生窗和2個(gè)車門。在保證模擬計(jì)算效率的同時(shí)最大化的還原現(xiàn)實(shí)條件,最終在物理模型內(nèi)設(shè)置了0.5 m精細(xì)的網(wǎng)格,共計(jì)7 488個(gè)網(wǎng)格。高速列車仿真模型如圖1所示。模型中1~18號(hào)探測(cè)器位置分別布置SD02~SD36,THCP02~THCP36傳感器,傳感器編號(hào)以偶數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。
圖1 高速列車車廂立體圖Fig. 1 Stereo view of highspeed train carriages
1.3.1 工況設(shè)定
高速列車火災(zāi)場(chǎng)景在“最不利、最典型原則”的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際設(shè)置。模擬設(shè)置一等座中部座椅發(fā)生火情,火源功率為0.5 MW,火源面積為0.6 m×0.4 m,模擬5種工況條件下的火災(zāi)蔓延情況,具體如表1所示。
表1 各類通風(fēng)條件工況設(shè)置
1.3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)與切片設(shè)置
車廂內(nèi)座椅間的過(guò)道為主要逃生通道,在過(guò)道位置y=2.0 m、平均人眼高度z=1.5 m位置同時(shí)設(shè)置溫度、煙氣濃度、能見(jiàn)度切片。此外,為了觀測(cè)車廂內(nèi)的火災(zāi)煙氣變化,在靠近頂棚處z=2.9 m位置,從二等座車廂起始端開(kāi)始,沿縱向每隔4.0 m布置探測(cè)器監(jiān)測(cè)點(diǎn),探測(cè)器序號(hào)以偶數(shù)規(guī)律增長(zhǎng),如(00、02、04、…),其中,SD14~24、THCP14~24位于起火車廂內(nèi),并在緊急逃生窗中布置熱電偶。
在全封閉狀態(tài)下發(fā)生火災(zāi)的溫度切片如圖2所示。煙氣的運(yùn)動(dòng)過(guò)程大致可分為3個(gè)階段。第1階段為頂棚羽流階段,由圖2可以看出,在t=5 s時(shí),此時(shí)火災(zāi)煙氣由火源逐漸上升,在到達(dá)頂棚后向客室車廂兩端蔓延,并在30 s時(shí)到達(dá)車廂兩端;第2階段,客室車廂兩端煙氣積聚,一部分回滾沉降使得客室車廂中部以上逐漸充滿,另一部分煙氣繼續(xù)向車廂前室蔓延,火源上方隨煙氣不斷積聚形成高溫區(qū);第3階段,t>60 s后,煙氣快速充滿車廂兩端前室,在兩端前室與客室銜接處形成高溫區(qū)。在車廂全封閉的情況下,由火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣層高度下降極快,在240 s時(shí),座椅處溫度超過(guò)60 ℃。
圖2 車廂中部縱向溫度切片 Fig. 2 Longitudinal temperature slice of middle compartment
圖3為一等座車廂內(nèi)頂棚溫度變化趨勢(shì),溫度傳感器以火源點(diǎn)為中心呈兩邊對(duì)稱布置,間距4 m,其中THCP18、THCP20距火源最近。由圖3可知,火災(zāi)發(fā)生70 s后,車廂棚頂溫度陸續(xù)超過(guò)60 ℃,火源兩側(cè)溫度基本呈對(duì)稱分布。
圖3 車廂頂棚溫度傳感器數(shù)據(jù)Fig. 3 Roof temperature sensor data
在工況2條件下,車廂內(nèi)門開(kāi)啟,但車廂外門及車窗均關(guān)閉時(shí),模擬結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出,在t=5 s時(shí),煙氣到達(dá)車廂上方并發(fā)生頂棚射流現(xiàn)象;在t=20 s時(shí)煙氣層即下降到車廂兩側(cè)車門上沿,隨后煙氣沿車門上沿向外蔓延,快速向相鄰車廂擴(kuò)散。同時(shí),熱氣流上升導(dǎo)致外界新鮮空氣流從車門下方流入車廂內(nèi)部,可能會(huì)對(duì)火源起到助燃作用,從而難以控制火勢(shì)。在整個(gè)車廂范圍內(nèi),煙氣除在火源上方外的主要運(yùn)動(dòng)方式為水平流動(dòng)。
圖4 一等座車廂中部座椅火情煙氣擴(kuò)散Fig. 4 Smoke diffusion of seat fire in middle of first class carriage
人員主要逃生路徑為車廂內(nèi)通道,通過(guò)在一等座車廂中部座椅設(shè)置火源對(duì)車廂走廊不同時(shí)刻的煙氣濃度和溫度變化進(jìn)行分析,還可以進(jìn)一步了解車廂內(nèi)煙氣的分布情況。圖5為車廂內(nèi)不同位置煙氣濃度隨時(shí)間的變化,其中煙霧傳感器SD18為頂棚距離火源最近處。通過(guò)分析可知,煙氣關(guān)于火源基本呈對(duì)稱分布,煙氣濃度隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大,離火源越近,濃度越高;煙氣濃度的增長(zhǎng)速率隨著距火源增大而放緩,車廂內(nèi)不同位置的煙氣濃度在前期均增長(zhǎng)較快,在火災(zāi)發(fā)展后期趨于平緩。
圖5 不同位置煙氣濃度隨時(shí)間的變化Fig. 5 Variation of flue gas concentration with time at different positions
圖6為車廂內(nèi)不同位置處煙氣溫度隨時(shí)間的變化,其中溫度傳感器THCP18距離火源最近,可以看出,煙氣溫度分布基本與煙氣濃度分布相近,都關(guān)于火源對(duì)稱,煙氣距火源越遠(yuǎn)溫度越低。造成該現(xiàn)象的主要原因?yàn)榛鹪瘁尫诺母邷責(zé)煔庠诟×Φ淖饔孟律仙另斉?,受到車廂頂棚的阻擋而形成水平流?dòng)的頂棚射流,熱量隨高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)進(jìn)行傳遞,距離越遠(yuǎn),延遲越大?;鹪凑戏綗煔鉁囟茸罡?,在360 s前可以達(dá)到79 ℃。THCP14位于車廂一端遠(yuǎn)離座椅處,可以看出距離火源越遠(yuǎn)的煙氣溫度越低。
圖6 不同位置溫度隨時(shí)間的變化 Fig. 6 Temperature variation with time at different positions
保持起火車廂兩側(cè)門關(guān)閉,在車廂頂棚中心區(qū)域設(shè)置1.2 m×1.2 m的正方形排煙窗,該排煙窗在SD18煙霧探測(cè)器接受到煙霧信號(hào)10 s后自動(dòng)開(kāi)啟,同時(shí)設(shè)置遠(yuǎn)離火源側(cè)窗戶為逃生窗,由熱電偶進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)溫度達(dá)到50 ℃時(shí),會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟。通過(guò)上述設(shè)置進(jìn)行模擬。模擬過(guò)程如圖7所示。
圖7 車廂縱向溫度切片F(xiàn)ig. 7 Longitudinal temperature slice of carrige
在t=16 s時(shí),也就是在煙霧傳感器響應(yīng)10 s之后,頂棚排煙窗口打開(kāi);在16 s到20 s時(shí)間段內(nèi)火源上方溫度略有下降,說(shuō)明頂棚排煙窗口打開(kāi)釋放了大量煙氣,降低了高溫?zé)煔鈱?duì)車廂的熱輻射作用。在t=60 s時(shí),車廂溫度持續(xù)上升,說(shuō)明現(xiàn)在火源燃燒產(chǎn)生煙氣的速率遠(yuǎn)大于排放量;在t=87 s時(shí),車廂內(nèi)人員將緊急逃生窗擊碎;t=180 s,由于火源持續(xù)燃燒,火源附近的溫度繼續(xù)上升。相比門窗關(guān)閉條件,內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)縱向溫度場(chǎng)影響較小,溫度整體上低于全封閉條件和僅打開(kāi)車廂內(nèi)部逃生門的溫度,溫度從火源中心縱向衰減,衰減梯度并未因高溫?zé)煔鈴幕鹪锤浇嚧耙绯龆哂谌忾]條件。
煙霧傳感器位置如圖8所示,1#、2#、3#從左到右依次放置在緊急逃生窗附近。
圖8 煙霧傳感器位置Fig. 8 Smoke sensor locations
圖9為傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),在t=87 s左右,3條曲線均出現(xiàn)斷崖式下降趨勢(shì),隨后上升恢復(fù)至穩(wěn)定值。其中2#出現(xiàn)反復(fù)波動(dòng),是因該點(diǎn)煙霧傳感器靠近火源和車廂頂棚排煙窗,煙氣產(chǎn)生和排出的速率不對(duì)等而導(dǎo)致了波動(dòng)。打開(kāi)緊急逃生窗利于人員逃生,但對(duì)排煙作用不明顯。兩側(cè)同時(shí)打開(kāi)甚至?xí)驅(qū)α鳟a(chǎn)生轟燃,造成二次災(zāi)害。
圖9 逃生窗附近煙霧傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) Fig. 9 Monitoring data of smoke sensor near escape windows
加壓送風(fēng)裝置產(chǎn)生的空氣幕不僅能有效阻止發(fā)生火災(zāi)車廂的煙霧波及臨近車廂,還能為人員逃生輸送新鮮空氣,創(chuàng)造逃生通道。依據(jù)《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》(DJG08—88—2006),選擇2.5 m/s送風(fēng)風(fēng)速在兩端前室進(jìn)行加壓送風(fēng),在車廂頂棚開(kāi)啟1.2 m×1.2 m頂部自然排煙窗[9]。
在車廂兩端前室打開(kāi)送風(fēng)裝置后,車廂內(nèi)縱向能見(jiàn)度切片對(duì)比如圖10所示。前30 s內(nèi)兩工況煙氣擴(kuò)散差距不大,其中未設(shè)置前室送風(fēng)裝置的情況只有少量煙氣溢出;當(dāng)t=60 s時(shí),未設(shè)置加壓送風(fēng)裝置時(shí),火災(zāi)煙氣開(kāi)始向下一車廂蔓延,而設(shè)置加壓送風(fēng)裝置的工況下,煙氣向車廂前室的溢散大幅減少,僅能通過(guò)車廂上方排煙窗排出,溫度場(chǎng)基本縱向?qū)ΨQ;短暫平衡后,配有加壓送風(fēng)裝置的車廂中由于內(nèi)部構(gòu)造存在差異,火源上下游的風(fēng)流受到的阻力不對(duì)等,火源上游到達(dá)火源區(qū)域的風(fēng)速逐漸高于火源下游到達(dá)火源區(qū)域的風(fēng)速,圖中可以看到少量煙氣向火源下游蔓延,造成了火源右側(cè)煙氣較多的情況,溫度場(chǎng)縱向?qū)ΨQ性遭到破壞。 具有代表性的溫度傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比如圖11所示。
圖10 有無(wú)加壓送風(fēng)裝置能見(jiàn)度切片對(duì)比Fig. 10 Comparison of visibility slices with or without pressurized air supply device
圖11 代表性溫度傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 11 Comparison of representative temperature sensors data
THCP20和THCP20*為距離火源最近的傳感器,THCP24、THCP24*則位于火源下游能檢測(cè)到煙氣溫度的最遠(yuǎn)位置。在沒(méi)有打開(kāi)送風(fēng)裝置火災(zāi)發(fā)生的前30 s內(nèi),溫度基本關(guān)于縱向?qū)ΨQ,僅在火源附近溫度超過(guò)40 ℃。60 s后,頂棚溫度縱向不再對(duì)稱,火源上方溫度超過(guò)60 ℃,火源的上下游區(qū)域溫度都有所上升。在兩側(cè)前室開(kāi)啟加壓送風(fēng)裝置后,兩測(cè)點(diǎn)溫度顯著降低10 ℃,說(shuō)明加壓送風(fēng)在加快煙氣排出的同時(shí)也帶走了部分煙氣的熱量,通過(guò)增加冷氣流將火源附近及下游的溫度降低。
機(jī)械排煙溫度切片對(duì)比如圖12所示。在溫度切片中可以看出,火災(zāi)發(fā)生30 s后,火災(zāi)煙氣逐漸向下游蔓延,在使用機(jī)械排煙裝置后,對(duì)溫度的改變并不明顯,車廂兩端煙氣受前室送風(fēng)裝置影響,沒(méi)能將影響范圍擴(kuò)大至其它車廂。
圖12 有無(wú)機(jī)械排煙裝置溫度切片對(duì)比Fig. 12 Comparison of temperature slice with or without mechanical smoke exhaust device
通過(guò)圖13能見(jiàn)度切片對(duì)比分析,在t=30 s時(shí)有機(jī)械排煙裝置因火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣要明顯小于無(wú)機(jī)械排煙裝置。隨著時(shí)間的增加,煙氣產(chǎn)生的量增多,無(wú)機(jī)械排煙裝置的煙氣不到120 s就下降到了人眼高度以下,而有機(jī)械排煙裝置的一側(cè)自60 s后逐漸穩(wěn)定,達(dá)到煙氣產(chǎn)生速率與排煙速率的平衡,始終高于平均人眼高度(1.5 m);在t=360 s時(shí),平均眼高下仍有大部分區(qū)域能見(jiàn)度都大于10 m,此時(shí)人員疏散僅需彎腰捂住口鼻即可。前室加壓送風(fēng)裝置與機(jī)械排煙裝置的配合能有效提高火災(zāi)發(fā)生時(shí)車廂內(nèi)的能見(jiàn)度,同時(shí)機(jī)械排煙與送風(fēng)裝置增強(qiáng)了氣流流動(dòng),可以帶走部分煙氣熱量,使得即便發(fā)生災(zāi)情,也能將車廂火源外區(qū)域的溫度穩(wěn)定在50 ℃左右。
圖13 有無(wú)機(jī)械排煙裝置能見(jiàn)度切片對(duì)比 Fig. 13 Comparison of visibility with or without mechanical smoke exhaust device
圖14是對(duì)以上4種方案排煙窗附近的溫度對(duì)比,可以看出,在使用前室加壓送風(fēng)裝置后排送煙氣的溫度明顯降低;在開(kāi)啟機(jī)械排煙后,溫度降低幅度較小,說(shuō)明只打開(kāi)前室送風(fēng)裝置時(shí),煙氣熱量積聚速率變慢,機(jī)械排煙可以提高排煙速率。綜上,選擇開(kāi)啟機(jī)械排煙+前室送風(fēng)裝置方案效果最好。
加壓送風(fēng)形成的空氣幕與機(jī)械排煙的聯(lián)合作用能夠?qū)煔廨^好的控制在控?zé)焻^(qū)內(nèi),在加壓送風(fēng)裝置的設(shè)置過(guò)程中,空氣幕噴射角度對(duì)于擋煙效果十分重要。文獻(xiàn)[11]研究表明,0°空氣幕噴射角度不能有效阻擋煙氣的蔓延,過(guò)大的空氣幕噴射角度又會(huì)降低擋煙效果。為找到最優(yōu)的噴射角度,以提高機(jī)械排煙的排煙效率,分別對(duì)0~20°角進(jìn)行了測(cè)試[12]。能見(jiàn)度數(shù)據(jù)取靠近前室門內(nèi)側(cè)的SD24傳感器,如圖15所示。
圖14 4種方案排煙窗附近溫度對(duì)比 Fig. 14 Comparison of temperature near smoke exhaust window of four schemes
圖15 送風(fēng)角對(duì)于阻止煙氣蔓延的影響Fig. 15 Influences of air supply angle on preventing smoke spreading
由圖15可知,當(dāng)噴射角度為5°或10°時(shí),煙氣濃度到達(dá)峰值比0°時(shí)要晚20 s以上,兩條曲線幾乎重合,而當(dāng)噴射角度為20°時(shí),煙氣濃度峰值比0°時(shí)有明顯下降,且不存在漏煙現(xiàn)象。可見(jiàn),在加壓送風(fēng)裝置結(jié)合機(jī)械排煙的基礎(chǔ)上,改變送風(fēng)角度將會(huì)提升控?zé)熜Ч?,提高機(jī)械排煙效率。
(1)車廂全封閉情況下,火災(zāi)可根據(jù)煙氣運(yùn)動(dòng)分為不同階段?;馂?zāi)初期增長(zhǎng)階段是撲滅火災(zāi)和人員疏散的最佳時(shí)期,一旦火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)定燃燒階段,火源上方溫度逼近100 ℃,人員頭頂處(靜坐時(shí),距地1.2 m)溫度峰值為60 ℃,此階段煙氣層高度下降速度極快,人員的疏散與逃生難度極大。
(2)車廂內(nèi)兩側(cè)車門打開(kāi)時(shí),煙氣濃度在車廂內(nèi)的通道分布隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸增大,距火源越近的位置,煙氣濃度越高;煙氣關(guān)于火源基本呈對(duì)稱分布,距離火源越遠(yuǎn)煙氣濃度增長(zhǎng)速度越低;車廂內(nèi)不同位置的煙氣濃度均為前期增長(zhǎng)速度較快。
(3)在車廂頂部設(shè)置排煙窗并且緊急逃生窗破碎的情況下,溫度整體上低于全封閉條件和僅打開(kāi)車廂內(nèi)部逃生門的溫度,溫度的衰減并未因高溫?zé)煔獾囊绯龈哂谌忾]條件,打開(kāi)緊急逃生窗對(duì)于排煙作用并不明顯。
(4)在兩側(cè)前室開(kāi)啟加壓送風(fēng)裝置后,測(cè)點(diǎn)溫度顯著降低10 ℃,說(shuō)明加壓送風(fēng)在加快煙氣排出的同時(shí)也帶走了部分煙氣的熱量,通過(guò)增加冷氣流將火源附近及下游的溫度降低,開(kāi)啟加壓送風(fēng)裝置能為人員提供安全疏散條件。
(5)在使用機(jī)械排煙裝置后,溫度改變并不明顯,車廂兩端煙氣受前室送風(fēng)裝置影響,沒(méi)能繼續(xù)擴(kuò)散至其它車廂,在煙氣的排放速率方面,設(shè)置機(jī)械排煙要明顯優(yōu)于自然排煙,送風(fēng)角度為20°時(shí),能夠達(dá)到更好的控?zé)熜Ч?,可提高機(jī)械排煙效率。