低地板輕軌列車基于FDS的火災(zāi)發(fā)展模擬研究

王興繼 焦志遠(yuǎn) 杜璐露

摘 要：低地板輕軌列車火災(zāi)的全尺寸實(shí)驗(yàn)是非常困難的，因此利用FDS軟件進(jìn)行火災(zāi)場(chǎng)景模擬研究是非常方便和有意義的。本文針對(duì)低地板輕軌列車火災(zāi)的火源位置、火源功率和火災(zāi)增長(zhǎng)速率設(shè)定了三種典型工況，利用FDS軟件進(jìn)行了三維仿真模擬研究，得到了三種工況下的模擬時(shí)序圖以及溫度、煙顆粒濃度分布參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：低地板輕軌列車;FDS;數(shù)值模擬

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和城市的發(fā)展，軌道交通已經(jīng)成為城市居民出行的首選方式。其中，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，低地板輕軌車輛得到蓬勃發(fā)展[1]。目前，低地板輕軌車輛技術(shù)在我國(guó)仍處于起步階段，還有巨大的發(fā)展空間和市場(chǎng)潛力，是解決我國(guó)城市交通問(wèn)題的有效途徑。

但是，地鐵和輕軌車輛發(fā)生火災(zāi)時(shí)，容易造成大量的人員傷亡，危害性極大[2]。地鐵車輛火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)包括熱釋放速率[3]、煙氣濃度、CO2濃度等，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了研究。但是進(jìn)行輕軌列車火災(zāi)的全尺寸實(shí)驗(yàn)是非常困難的[4]，因此很少有關(guān)于輕軌列車的火災(zāi)公開實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此獲得不同工況、不同火源位置下溫度、煙氣濃度非常方便和有意義的[5-7]。

本文針對(duì)低地板輕軌列車火災(zāi)的火源位置、火源功率和火災(zāi)增長(zhǎng)速率設(shè)定了三種典型工況，利用FDS軟件進(jìn)行了三維仿真模擬研究，得到了三種工況下的模擬時(shí)序圖以及溫度、碳煙顆粒濃度分布隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1 列車車廂模型建立

本項(xiàng)目基于3節(jié)車廂的低地板列車進(jìn)行FDS的建模，F(xiàn)DS 物理模型如圖1所示：

2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

2.1 火源位置設(shè)置

在設(shè)計(jì)數(shù)值模擬部分火災(zāi)場(chǎng)景時(shí)，綜合考慮列車內(nèi)各部位幾何特征與材料特性等因素，選定客室等部位為主要火源位置，以此模擬計(jì)算分析溫度、碳煙顆粒濃度參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。

依據(jù)火災(zāi)場(chǎng)景的選取原則，考慮車廂可燃物較多、火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的實(shí)際情況，并同時(shí)考慮設(shè)定火災(zāi)對(duì)煙氣產(chǎn)生的不利影響最大，應(yīng)將火源位置設(shè)置于客室中部。

2.2 火源功率及類型設(shè)置

由于車廂內(nèi)可燃物比較繁雜，無(wú)法對(duì)其內(nèi)的可燃物及其火災(zāi)荷載進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，因此只能基于一般國(guó)際消防安全分析建議值。綜合考慮確定：最常見火災(zāi)條件下的火源荷載為5 MW，最不利條件下的火源荷載為10 MW?？紤]列車內(nèi)的可燃物類型，本次模擬選取的為快速t2火。

綜合考慮低地板列車火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因素，確定以下3種火災(zāi)工況作為研究對(duì)象。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 模擬過(guò)程描述

由各工況的模擬過(guò)程中可以看出：

在工況一下，火災(zāi)發(fā)生15 s時(shí)，火災(zāi)煙氣仍未布滿列車頂棚空間。火災(zāi)發(fā)生30 s時(shí)，煙氣已布滿列車頂棚空間，開始持續(xù)累積并進(jìn)而向相鄰位置蔓延?；馂?zāi)發(fā)生45 s～75 s階段，煙氣持續(xù)在列車內(nèi)部空間蔓延?；馂?zāi)發(fā)生90 s時(shí)，煙氣仍未布滿整個(gè)列車頂棚空間。對(duì)比火災(zāi)發(fā)生200 s時(shí)及模擬終了時(shí)刻346.8 s時(shí)，發(fā)現(xiàn)二者圖示現(xiàn)象差別不大，因此推斷在200 s之前，火災(zāi)煙氣已經(jīng)完成了在列車內(nèi)部的蔓延、累積沉降，并通過(guò)孔隙和其他排煙手段持續(xù)向外排煙。

在工況二下，火災(zāi)發(fā)生15 s時(shí)，火災(zāi)煙氣已布滿列車頂棚空間，且開始持續(xù)累積并初步向相鄰位置擴(kuò)散。火災(zāi)發(fā)生30 s時(shí)，對(duì)比工況一同時(shí)刻時(shí)序圖，其煙氣蔓延現(xiàn)象更為顯著?；馂?zāi)發(fā)生45 s～60 s階段，煙氣持續(xù)在列車內(nèi)部空間擴(kuò)散;火災(zāi)發(fā)生75 s時(shí)，煙氣已蔓延至整個(gè)列車空間，且持續(xù)累積。對(duì)比火災(zāi)發(fā)生90 s時(shí)及模擬終了時(shí)刻103.8 s時(shí)，發(fā)現(xiàn)二者圖示現(xiàn)象差別不大，再與工況一模擬終了時(shí)刻圖像對(duì)比，得出本工況在模擬終了時(shí)，火災(zāi)煙氣在向外排煙的同時(shí)，仍未完成在列車內(nèi)部的蔓延、累積沉降。

在工況三下，火災(zāi)發(fā)生15 s時(shí)，火災(zāi)煙氣已布滿列車頂棚空間，且開始持續(xù)累積并初步向相鄰位置擴(kuò)散，對(duì)比工況二同時(shí)刻時(shí)序圖可發(fā)現(xiàn)，其煙氣蔓延速度較之工況二有所加快，但不甚明顯?；馂?zāi)發(fā)生30 s時(shí)，可對(duì)比得出，本工況煙氣蔓延速度較之工況二有明顯增快。火災(zāi)發(fā)生60 s時(shí)，煙氣已蔓延至整個(gè)列車空間，且持續(xù)累積。對(duì)比本工況火災(zāi)終了時(shí)刻88.8 s時(shí)及工況一最終圖像，可得出本工況在模擬結(jié)束時(shí)刻，火災(zāi)煙氣已基本完成了在列車內(nèi)部的蔓延、累積沉降，并通過(guò)孔隙和其他排煙手段持續(xù)向外排煙。

綜上所述，在列車上部表面發(fā)生火災(zāi)時(shí)，其內(nèi)部煙氣蔓延速度隨著火源功率的增加有較為顯著的提升。

3.2 典型工況火災(zāi)參數(shù)

就三種典型工況火災(zāi)數(shù)值模擬結(jié)果，從模型內(nèi)設(shè)置的九組探測(cè)點(diǎn)中，選取較為具有代表性的兩組探測(cè)點(diǎn)，對(duì)溫度、碳煙顆粒濃度變化規(guī)律分別如圖2至圖4所示。

由圖2中可以看出，在工況一下，當(dāng)列車上部高溫管道表面發(fā)生火災(zāi)，火源功率為2 WM時(shí)，列車頂棚各處的煙氣參量有著相似的隨時(shí)間變化規(guī)律，然而其響應(yīng)時(shí)間和具體含量則存在著較大差異。各項(xiàng)參數(shù)在不同水平位置處的響應(yīng)規(guī)律較為類似，煙顆粒與溫度響應(yīng)規(guī)律則基本一致。

如圖2 （c）所示，在模擬時(shí)間內(nèi)，該組煙顆粒濃度測(cè)點(diǎn)測(cè)得的最大煙顆粒比例約為0.014，即14 000 ppm;如圖2 （d）所示，在模擬時(shí)間內(nèi)，該組煙顆粒濃度測(cè)點(diǎn)測(cè)得的最大煙顆粒比例約為0.037，即37 000 ppm;由此可以看出：該列車內(nèi)各處的最大煙顆粒濃度分布，受其與火源之間的距離影響較大。

由圖3中可以看出，在工況二下，當(dāng)列車上部高溫表面發(fā)生火災(zāi)，火源功率為5 WM時(shí)，列車頂棚各處的煙氣參量有著相似的隨時(shí)間變化規(guī)律，然而其響應(yīng)時(shí)間和具體含量則存在著較大差異。各項(xiàng)參數(shù)在不同水平位置處的響應(yīng)規(guī)律較為類似，煙顆粒與溫度的響應(yīng)規(guī)律則基本一致。

隨著高度的增加、測(cè)點(diǎn)與火源水平距離的接近，各參數(shù)的響應(yīng)時(shí)間隨之減少，靈敏度升高。如圖3（b）所示，其曲線圖大致分為四組（分別為測(cè)點(diǎn)134、124、114;測(cè)點(diǎn)133、123、113;測(cè)點(diǎn)132、122、112;測(cè)點(diǎn)131、121、111數(shù)據(jù)制得的數(shù)據(jù)圖），且各組數(shù)值差異較大，這表明由水平位置相近的幾組測(cè)點(diǎn)測(cè)得的煙顆粒濃度參數(shù)，受高度影響較大。如圖3 （c）所示，在模擬時(shí)間內(nèi)，該組煙顆粒濃度測(cè)點(diǎn)測(cè)得的最大煙顆粒比例約為0.013，即13 000 ppm;如圖3（d）所示，在模擬時(shí)間內(nèi)，該組煙顆粒濃度測(cè)點(diǎn)測(cè)的最大煙顆粒比例約為0.043，即43 000 ppm;這表明該列車內(nèi)各處的最大煙顆粒濃度分布，受其與火源之間的距離影響較大。

由圖4中可以看出，在工況三下，當(dāng)列車上部高溫表面發(fā)生火災(zāi)，火源功率為10WM時(shí)，列車頂棚各處的煙氣參量有著相似的隨時(shí)間變化規(guī)律，然 而其響應(yīng)時(shí)間和具體含量則存在著較大差異。各項(xiàng)參數(shù)在不同水平位置處的響應(yīng)規(guī)律較為類似，煙顆粒與溫度的響應(yīng)規(guī)律則基本一致。

隨著高度的增加、測(cè)點(diǎn)與火源水平距離的接近，各參數(shù)的響應(yīng)時(shí)間隨之減少，靈敏度升高。如圖4（b）所示，其曲線圖大致分為四組（分別為測(cè)點(diǎn)534、524、514;測(cè)點(diǎn)533、523、513;測(cè)點(diǎn)532、522、512;測(cè)點(diǎn)531、521、511數(shù)據(jù)制得的數(shù)據(jù)圖），且各組數(shù)值差異較大，這表明由水平位置相近的幾組測(cè)點(diǎn)測(cè)得的煙氣溫度變化規(guī)律，受高度影響較大。此外，如圖4（a）所示，在模擬時(shí)間內(nèi)，該組煙氣溫度測(cè)點(diǎn)測(cè)得的煙氣最高溫度約為65℃;如圖4（b）所示，在模擬時(shí)間內(nèi)，該組煙氣溫度測(cè)點(diǎn)測(cè)得的煙氣最高溫度約為525℃;這表明該列車內(nèi)各處的最高煙氣溫度分布，受其與火源之間的距離影響較大。

4 結(jié)論

本文通過(guò)FDS對(duì)低地板輕軌列車三種典型工況的火災(zāi)情況進(jìn)行了模擬，得到了三個(gè)工況整體時(shí)序圖，以及溫度、碳煙顆粒濃度分布參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以得出以下結(jié)論：

（1）在列車上部表面發(fā)生火災(zāi)時(shí)，其內(nèi)部煙氣蔓延速度隨著火源功率的增加有較為顯著的提升;

（2）在三種工況下，列車內(nèi)各處的最高煙氣溫度、煙顆粒濃度分布，受其與火源之間的距離影響較大;最快對(duì)不同水平位置處各參數(shù)變化作出響應(yīng)的測(cè)點(diǎn)均為最高點(diǎn)，且各組測(cè)點(diǎn)中高度最低處，在模擬時(shí)間段內(nèi)，各項(xiàng)參數(shù)均基本維持在初始數(shù)值鮮有波動(dòng);

（3）隨著火源功率的增大，煙氣溫度、煙顆粒密度的最大值均有顯著升高，且各參數(shù)的響應(yīng)速度、靈敏度也有增大。

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