隧道列車火災(zāi)玻璃破裂開口火溢流行為特性研究

郗艷紅 渠述強(qiáng) 毛軍 劉斌 陳明杲

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院∥軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044 )

高速鐵路跨越式的發(fā)展取得了舉世矚目的成就，已經(jīng)成為我國(guó)一張閃亮的國(guó)家名片，其中，保障列車運(yùn)營(yíng)安全是鐵路運(yùn)輸?shù)幕疽蠛褪滓蝿?wù)。然而，高速列車在運(yùn)行過程中存在著諸多安全隱患，可能發(fā)生各種災(zāi)害，火災(zāi)是最易發(fā)生、最危險(xiǎn)、造成損失也最大的災(zāi)害之一。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生過較多的重大列車火災(zāi)事故，造成了大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

高速列車車窗處于密封狀態(tài)，車廂內(nèi)行李、座椅等可燃物較多，人員密集?；馂?zāi)發(fā)生初期，乘客緊急向相鄰車廂疏散，疏散過程中可能存在乘客打破車窗玻璃逃生的情況，而人為破窗行為可能引起煙氣溢流；此外，列車車廂玻璃內(nèi)部和外部存在溫度差，玻璃可能受熱變形并破裂脫落，形成通風(fēng)口，加速火災(zāi)燃燒，甚至引起轟燃、回燃現(xiàn)象，加大火災(zāi)破壞作用，可能形成開口溢流火?；鹧婕捌洚a(chǎn)生的有毒煙氣會(huì)通過玻璃脫落后形成的開口向隧道內(nèi)蔓延，擴(kuò)大火災(zāi)規(guī)模，給社會(huì)造成更大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。從國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)可知，目前均是針對(duì)建筑房間開口火溢流[2- 8]以及隧道列車車廂火災(zāi)的研究[1,9- 12]，沒有針對(duì)隧道內(nèi)高速列車開口火溢流行為特性的研究。

在對(duì)建筑房間開口火溢流的研究過程中，文獻(xiàn)[2- 9]均假定室內(nèi)溫度在整個(gè)房間體積內(nèi)均勻分布，在這個(gè)假定下，燃燒室內(nèi)的熱釋放速率Qin為[13]

(1)

溢出燃燒室外的熱釋放速率Qex為

Qex=Q-Qin

(2)

式中：A為開口面積；H為開口高度；Q為燃料總的熱釋放速率。

但是，高速列車車廂在幾何形狀上與普通建筑房間存在顯著的區(qū)別，普通建筑房間長(zhǎng)寬比一般接近于 1，而高速列車車廂長(zhǎng)寬比大于7，這類狹長(zhǎng)空間的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律及過程和普通建筑房間不同。對(duì)于高速列車車廂客室火災(zāi)，火災(zāi)煙氣在沿車廂頂板蔓延的過程中與車廂側(cè)墻和頂板不斷進(jìn)行熱交換，與走廊或隧道等長(zhǎng)通道火災(zāi)類似，煙氣溫度在蔓延過程中不斷下降。由此可見，建筑火災(zāi)開口火溢流的燃燒室內(nèi)熱釋放速率公式及燃燒室內(nèi)的溫度分布規(guī)律不適用于高速列車客室火災(zāi)，需要對(duì)隧道列車車廂腔室火災(zāi)及其開口火溢流等現(xiàn)象進(jìn)行專門研究。開展鐵路隧道高速列車車廂腔室火災(zāi)開口火溢流現(xiàn)象的研究，對(duì)消防安全具有十分重要的理論意義和參考價(jià)值。

1 著火車廂內(nèi)的能量平衡

假定一節(jié)車廂著火，且著火車廂與其他車廂不連通，著火的同時(shí)即有人敲碎一扇玻璃，示意圖如圖1所示。

圖1 高速列車車廂內(nèi)、外熱釋放速率示意圖

車廂內(nèi)燃料總的熱釋放速率Q包括單位時(shí)間內(nèi)，車廂內(nèi)高溫?zé)煔馀c車廂壁面的對(duì)流換熱Qc、車廂內(nèi)空氣溫度升高的熱量Qr，以及通過開口溢出車廂的熱量Qex。為了描述方便，把車廂內(nèi)高溫?zé)煔馀c車廂壁面的對(duì)流換熱Qc與車廂內(nèi)空氣溫度升高的熱量Qr記為車廂內(nèi)的熱釋放速率Qin，則

Qin=Qc+Qr

(3)

建立車廂內(nèi)的能量平衡關(guān)系如下：

Q=Qin+Qex

(4)

1.1 煙流與車廂壁面的換熱

高速列車車廂火災(zāi)煙流是由熱浮力驅(qū)動(dòng)引起的流動(dòng)，因此車廂火災(zāi)煙流與隧道壁面之間的對(duì)流換熱為自然對(duì)流換熱。

自然對(duì)流換熱量為

Qc=h(At-A)(ts-t0)

(5)

式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)；At為著火車廂內(nèi)部總表面積；ts為車廂內(nèi)火災(zāi)煙流的平均溫度；t0為著火車廂壁面的初始溫度。

對(duì)于空氣的自然對(duì)流換熱系數(shù)，可以根據(jù)一系列無(wú)量綱數(shù)來(lái)對(duì)不同情況下的空氣對(duì)流系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。但是這些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式一般都對(duì)應(yīng)于一些特定的換熱狀況，如熱空氣流過冷的平板、換熱器等。而火災(zāi)情況下的煙流成分比較復(fù)雜，含有大量的燃燒產(chǎn)物，與一般的潔凈空氣存在著巨大差異。因此,采用這些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式來(lái)預(yù)測(cè)隧道火災(zāi)煙流與壁面之間的對(duì)流換熱系數(shù)是不合適的。對(duì)于火災(zāi)煙流與壁面之間的對(duì)流換熱系數(shù)，有人提出了如下的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)關(guān)系式[14- 15]：

(6)

式中：u為煙氣的蔓延速度，本文通過數(shù)值模擬來(lái)獲得；K′為經(jīng)驗(yàn)關(guān)系常數(shù)，其取值范圍為20.9～41.9 kJ/(m2·℃·h)，本文取其平均值，K′=31.4 kJ/(m2·℃·h)。

1.2 車廂內(nèi)空氣溫度升高的熱量

車廂內(nèi)空氣溫度的升高主要由煙流對(duì)空氣的熱輻射引起，其單位時(shí)間內(nèi)輻射換熱量Qr為[14]

(7)

式中：Ts、T0分別為ts、t0的熱力學(xué)溫度;σ為玻爾茲曼常數(shù),σ=5.67×10-11kW/(m2·K4)；ε為輻射率，對(duì)于火災(zāi)煙氣的輻射率，主要包括來(lái)自各種燃燒氣體產(chǎn)物、水蒸氣和煙顆粒的貢獻(xiàn)。對(duì)于這種情況下的火災(zāi)煙氣輻射率，其主要和各種燃燒氣體的光譜波長(zhǎng)、濃度和煙氣層的厚度有關(guān)。有關(guān)火焰的研究中，一般將其取為0.7[15- 17]。

2 數(shù)值模擬方法的驗(yàn)證

本文選用FDS(Fire Dynamics Simulator)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的正確性，選取文獻(xiàn)[18]中的模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，其中火源的熱釋放速率為168 kW。文獻(xiàn)中，采用直徑分別為1.0 mm和1.5 mm的K型鎧裝熱電偶測(cè)量溫度，其誤差不超過3%。試驗(yàn)及數(shù)值模擬模型如圖2所示。

圖2 模型圖

2.1 網(wǎng)格尺寸

對(duì)火災(zāi)數(shù)值模擬計(jì)算而言，決定網(wǎng)格尺寸的關(guān)鍵參數(shù)是火源特征直徑D*[19]：

(8)

式中：ρ0為空氣密度，取1.204 kg/m3;cp為定壓比熱容，取1.005 kJ/(kg·K);T0為環(huán)境空氣溫度，取293 K；g為重力加速度，取9.81 m/s2；網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.1D*[1]。

2.2 邊界條件

風(fēng)口大小為0.4 m×0.4 m，機(jī)械排煙風(fēng)量為1.03 m3/s；室內(nèi)初始溫度為21 ℃；開口設(shè)置為壓力邊界，壓力值為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；熱電偶布置如圖2(b)所示，距離頂棚的距離為0.05、0.35、0.35和0.40 m，分別記為測(cè)點(diǎn)1-4。

2.3 結(jié)果對(duì)比

圖3給出了各測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)變曲線的對(duì)比結(jié)果。由圖可知，各測(cè)點(diǎn)的溫度增長(zhǎng)趨勢(shì)相同，相對(duì)誤差最大為6%，滿足誤差范圍，說(shuō)明本文的數(shù)值模擬方法是可行的。

圖3 測(cè)點(diǎn)1-4溫度對(duì)比曲線

3 數(shù)值模擬設(shè)定

3.1 計(jì)算條件

采用FDS軟件對(duì)隧道列車車廂火災(zāi)開口火溢流現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算模型示意圖如圖4所示，模擬條件如下。

(1)隧道長(zhǎng)×寬×高=2 000 m×10 m×6 m，高速列車位于隧道中央；高速列車為8節(jié)車廂，第4節(jié)車廂內(nèi)著火，著火車廂和其他車廂隔離，即煙氣不能通過車廂內(nèi)部擴(kuò)散到其他車廂；假設(shè)隧道和車廂均為矩形，單節(jié)車廂的長(zhǎng)×寬×高=24.725 m×3.254 m×3.625 m。

(2)著火點(diǎn)位于第4節(jié)車廂的地板上，長(zhǎng)度方向和寬度方向均位于車廂中間位置，設(shè)定為恒定火源。燃料類型為丙烷，燃燒熱約為50.3 MJ/kg。熱釋放速率大小為1～30 MW，共11個(gè)工況，具體大小見表1。

(3)單個(gè)窗戶尺寸為1.40 m×0.65 m，考慮著火后人為破壞一扇玻璃逃生的情況，即著火開始玻璃就呈破裂狀態(tài)。為了研究隧道列車車廂開口火溢流最基本的行為特性，暫且假定破壞的玻璃位置如圖4所示。

表1 熱釋放速率Table 1 Heat release rate MW

圖4 計(jì)算模型及測(cè)點(diǎn)示意圖(單位：m)

(5)邊界條件：隧道兩端設(shè)置為壓力出口邊界(相對(duì)壓力為零)；假定壁面外溫度為定值，壁面的傳熱系數(shù)為116 W/(m2·K)；隧道頂板、側(cè)墻以及行車路面均采用混凝土材質(zhì)；車廂為鋁合金材料(100 ALUMINIUM at 27℃),采用無(wú)滑移邊界條件，速度分量u、v、w均為零。

(6)選用大渦模擬湍流模型，并按照式(8)計(jì)算火源特征直徑D*，在各個(gè)熱釋放速率下，著火車廂及其所在的隧道斷面網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.05D*×0.05D*×0.05D*，其他車廂及隧道網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.1D*×0.1D*×0.1D*，遠(yuǎn)端隧道設(shè)置為0.4D*×0.8D*×0.4D*，這樣劃分網(wǎng)格既能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，又能節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

(7)沿著著火車廂長(zhǎng)度和寬度方向設(shè)置多個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的縱向間隔為1 m，高度方向的間隔為0.5 m；列車橫向布置3排測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置在火源正上方，以及火源與列車兩個(gè)橫向內(nèi)壁面的中間位置。以窗戶開口為原點(diǎn)，在隧道內(nèi)縱向和高度方向上布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的縱向間隔為1 m，高度方向的間隔為0.5 m；在窗戶開口和隧道之間的橫斷面上布置3排測(cè)點(diǎn)，第1排的橫坐標(biāo)位置與窗戶所在的橫坐標(biāo)位置相同，測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖4(d)和4(e)所示。

3.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證3.1節(jié)中提出的網(wǎng)格尺寸的適用性，采用3.1節(jié)中的模型和邊界條件，對(duì)熱釋放速率為5 MW的工況進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。著火車廂及其所在的隧道斷面網(wǎng)格尺寸分別設(shè)為0.025D*×0.025D*×0.025D*，0.05D*×0.05D*×0.05D*，0.1D*×0.1D*×0.1D*，0.15D*×0.15D*×0.15D*。其他車廂及隧道網(wǎng)格尺寸為火災(zāi)車廂網(wǎng)格尺寸的2倍，遠(yuǎn)端隧道尺寸為其他車廂網(wǎng)格尺寸的4倍。

圖5給出了熱釋放速率為5 MW時(shí)，不同網(wǎng)格尺寸條件下車廂內(nèi)部煙氣平均溫度ts沿列車長(zhǎng)度方向的分布情況，其中，r為離開火源的距離;Lt為著火列車的車廂長(zhǎng)度。

由圖5可知，網(wǎng)格尺寸為0.025D*×0.025D*×0.025D*和0.05D*×0.05D*×0.05D*時(shí)，溫度較為接近，誤差在4%以下?？紤]到計(jì)算效率，取0.05D*×0.05D*×0.05D*作為本文的網(wǎng)格尺寸。

圖5 不同網(wǎng)格條件下車廂內(nèi)部溫度沿車長(zhǎng)方向的變化

4 結(jié)果與分析

4.1 著火車廂內(nèi)部溫度分布

不同熱釋放速率下車廂內(nèi)部煙氣平均溫度沿列車長(zhǎng)度方向的分布如圖6所示，溫度數(shù)據(jù)為燃燒穩(wěn)定后一段時(shí)間內(nèi)的時(shí)均值。

圖6 不同熱釋放速率下車廂內(nèi)部溫度沿車長(zhǎng)方向的變化

由圖6可知，沿列車長(zhǎng)度方向，溫度呈冪指數(shù)衰減規(guī)律，其衰減方程為

(9)

式中，a、b均是與熱釋放速率有關(guān)的函數(shù)，經(jīng)過擬合，可得a=244Q0.4,b=-0.29Q0.48，即

(10)

Evers等[20]曾通過實(shí)驗(yàn)給出了煙氣溫度沿走廊的衰減呈冪指數(shù)規(guī)律，Kim等[21]用一條長(zhǎng)度為11.83 m的走廊驗(yàn)證了冪指數(shù)規(guī)律的正確性。列車車廂長(zhǎng)度為24.725 m,火源位于車廂中間位置，煙氣傳播長(zhǎng)度為半車廂長(zhǎng)度，其溫度衰減規(guī)律與長(zhǎng)度相似的走廊類似。由此可知，開口火溢流發(fā)生時(shí)，車廂內(nèi)的溫度分布與普通建筑火災(zāi)室內(nèi)溫度均勻分布[7]有顯著差別，因此，車廂內(nèi)、外的熱釋放速率計(jì)算公式也與其不同。

4.2 車廂內(nèi)、外熱釋放速率

將第1.1節(jié)中有關(guān)車廂內(nèi)煙氣層與環(huán)境之間的對(duì)流換熱的關(guān)系式代入車廂內(nèi)煙氣的蔓延速度，可以得到各個(gè)熱釋放速率下距離火源不同位置處的對(duì)流換熱系數(shù)，如圖7所示?？梢钥闯觯粺後尫潘俾氏?，距離火源不同位置處，煙氣層與列車壁面之間的對(duì)流換熱系數(shù)大致相同，同一熱釋放速率下的對(duì)流換熱系數(shù)取平均，作為模型中的對(duì)流換熱系數(shù)的輸入?yún)?shù)，可得到車廂內(nèi)外的熱釋放速率值，如表1所示。

圖7 車廂內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)沿車長(zhǎng)方向的變化

圖8給出了車廂內(nèi)外熱釋放速率和火源總釋放速率的關(guān)系。由圖可知，車廂內(nèi)、外的熱釋放速率隨火源總釋放速率的增加均呈拋物線規(guī)律增加?；鹪礋後尫潘俾试?～15 MW范圍內(nèi)時(shí)，各個(gè)熱釋放速率下，車廂內(nèi)熱釋放速率均大于車廂外的熱釋放速率；火源熱釋放速率在20～30 MW范圍內(nèi)時(shí)，車廂內(nèi)熱釋放速率均小于車廂外的熱釋放速率。由圖8可知，車廂內(nèi)、外熱釋放速率曲線存在交點(diǎn)，即存在一個(gè)總的火源熱釋放速率(17.85 MW)，此時(shí)車廂內(nèi)、外的熱釋放速率相等。

4.3 開口火溢流火焰角度演化特征

Lee等[2]通過對(duì)建筑房間開口火溢流的研究，認(rèn)為室內(nèi)溢出火羽流取決于表征溢出火羽流幾何特征的長(zhǎng)度特征參量。這兩個(gè)特征參量中1個(gè)與開口平行，另1個(gè)與開口垂直，且證明火焰無(wú)量綱高度與火焰無(wú)量綱功率之間呈冪指數(shù)關(guān)系。他們提出的火焰高度模型是

(11)

圖8 車廂內(nèi)、外熱釋放速率和火源總釋放速率的關(guān)系曲線

(12)

(13)

因此，引入長(zhǎng)度特征參量l1來(lái)擬合溢出火焰角度和無(wú)量綱溢出火源功率之間的關(guān)系。

(14)

火焰溢出角度θ定義為水平線與火焰中心線之間的角度，圖9給出了火焰溢出角度的示意圖。

圖10給出了不同火源熱釋放速率在穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)火焰溢出的情況，其中，窗戶在高度方向的坐標(biāo)為(1.963，2.613)m。由圖可以看出，由于隧道壁面的吸附作用，溢出火焰與列車車廂之間存在一個(gè)夾角，而且，在低火源釋放速率，如Q=1 MW時(shí)，溢出的為一小部分熱煙氣；隨著火源釋放速率的增加，溢出的熱煙氣越來(lái)越多，熱釋放速率達(dá)到一定值時(shí)，如Q=20 MW時(shí)，直接有高溫火焰溢出，且吸附在隧道壁上，對(duì)隧道產(chǎn)生損壞。

圖9 火焰溢出角度示意圖

窗戶開口對(duì)平均火焰溢出角度的影響通過特征長(zhǎng)度參量l1來(lái)表征，如圖11所示，并用無(wú)量綱方程(14)來(lái)表示。數(shù)值模擬結(jié)果擬合指數(shù)為0.67，其結(jié)果表示如下：

(15)

(a)Q=1 MW

(b)Q=5 MW

(c)Q=10 MW

(d)Q=20 MW

(e)Q=25 MW

(f)Q=30 MW

圖11 無(wú)量綱火焰溢出角度和無(wú)量綱溢出火源功率的耦合變化關(guān)系

4.4 隧道壁面處火溢流溫度分布

由圖12可知，隨著火源熱釋放速率的增大，隧道壁面處的溫度增大，且在3 m左右的高度達(dá)到最大值。

圖12 隧道壁面處的溫度沿高度方向的分布

(16)

(17)

圖13 隧道壁面處最大無(wú)量綱溫度和無(wú)量綱溢出火源功率的耦合變化關(guān)系

5 結(jié)論

通過對(duì)鐵路隧道中高速列車車廂著火時(shí)玻璃破裂形成的開口火溢流現(xiàn)象進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

(1)不同于普通建筑火災(zāi)室內(nèi)溫度均勻分布的規(guī)律，車廂內(nèi)部縱向的煙氣溫度呈冪指數(shù)的規(guī)律衰減；

(2)車廂內(nèi)、外的熱釋放速率隨火源總熱釋放速率的增加均呈拋物線規(guī)律增加，當(dāng)總的火源熱釋放速率為17.85 MW時(shí)，車廂內(nèi)、外的熱釋放速率相等；

(3)火源熱釋放速率越大，溢出的熱煙氣越多；熱釋放速率大于20 MW時(shí)，直接有火焰溢出；火焰溢出角度與火源功率、開口大小和特征長(zhǎng)度呈冪指數(shù)的耦合關(guān)系；

(4)隨著火源熱釋放速率的增長(zhǎng)，隧道壁面處的溫度升高，且在3 m左右的高度達(dá)到最大值；隧道壁面處的最高溫度與火源功率、開口大小和特征長(zhǎng)度呈冪指數(shù)的耦合關(guān)系；

(5)可考慮加強(qiáng)隧道壁面3 m左右高度處的防火性能，以防范高速列車車窗火溢流的燒毀性破壞。