運行速度對高速列車火災(zāi)熱釋放速率的影響

劉方吉 畢海權(quán) 高慧翔 曾清珣 王 菁

（1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，高速列車的安全運營越來越受到人們的重視。由于高速列車內(nèi)部空間封閉、人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易造成群死群傷事故，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此，世界各國對列車防火安全都提出了很高的要求。高速列車著火后，應(yīng)急救援原則是盡可能將高速列車行駛至安全地點再組織乘客疏散逃生。高速列車?yán)^續(xù)行駛時產(chǎn)生的空氣流場必然會對著火車廂內(nèi)火災(zāi)燃燒過程產(chǎn)生影響，一方面，空氣流動可以為客室內(nèi)的燃燒提供更多的新鮮空氣；另一方面，高速行駛的列車產(chǎn)生的空氣流場也可能會帶走較多熱量，增加火災(zāi)燃燒區(qū)域的熱量損失，進(jìn)而降低可燃物的燃燒速率。因此，列車著火后繼續(xù)行駛，既有風(fēng)險，又具有一定的合理性，其關(guān)鍵在于列車的運行速度對著火列車安全性的影響。

熱釋放速率是描述列車火災(zāi)過程最重要的參數(shù)，它體現(xiàn)了火災(zāi)中能量釋放的多少，是決定列車火災(zāi)危險性的重要因素?；馂?zāi)熱釋放速率是可燃物燃燒時單位時間內(nèi)釋放出的熱量[1]，大部分可燃物燃燒時，熱釋放速率隨時間發(fā)生變化[2]。在火災(zāi)現(xiàn)場中，它能夠表征火災(zāi)的大小，預(yù)測火焰蔓延速度[3]、熱量及煙氣產(chǎn)生量，提供可用于安全疏散的時間以及撲滅火災(zāi)可釆取的最有效方法等信息，同時，火災(zāi)熱釋放速率也是比較火災(zāi)行為以及評價火源對附近其他可燃物影響最可靠的數(shù)據(jù)。在火災(zāi)數(shù)值模擬中，火場的能見度[4]、溫度場、氧氣濃度、煙氣層高度、火羽流的卷吸特性[5]等參數(shù)都是以火災(zāi)熱釋放速率為基礎(chǔ)進(jìn)行計算的。在消防工程設(shè)計中確定火災(zāi)熱釋放速率的變化規(guī)律可以定量評估分析建筑物的火災(zāi)危險性。在消防性能化設(shè)計[6]中的關(guān)鍵步驟是火災(zāi)場景的設(shè)定以及定量分析火災(zāi)發(fā)生過程，這些都是以熱釋放速率隨時間變化為基礎(chǔ)而展開的，熱釋放速率設(shè)定越接近實際情況，計算得到的結(jié)果越準(zhǔn)確可靠。因此，在我國鐵路事業(yè)高速發(fā)展的情況下，進(jìn)行高速列車熱釋放速率[7]研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

本文在以某型二等座車廂為研究對象，采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究室發(fā)布的FDS 火災(zāi)動態(tài)模擬軟件，對高速列車在不同時速30km/h～80km/h運行時的熱釋放速率大小進(jìn)行研究。

1 數(shù)值計算模型

1.1 數(shù)值模型

如圖1 和圖2 所示分別為某型二等座車廂客室斷面和平面布局。車廂尺寸為24.175m×3.257m×3.890m，座椅采用2+3 布置，定員85 人，兩側(cè)墻上設(shè)置6 個緊急逃生窗，如圖3 車輛側(cè)視圖所示。

圖1 客室斷面圖Fig.1 Section map of the passenger compartment

圖2 客室平面布局Fig.2 Layout of the passenger compartment

圖3 車輛側(cè)視圖Fig.3 Side view of the vehicle

高速列車內(nèi)部構(gòu)成極其復(fù)雜，擁有大量零部件。其可燃燒的部分主要包括木地板、座椅、側(cè)墻板、頂板、間壁、電子線路等。本文主要建立了車廂內(nèi)部空間的物理模型。最終，運用FDS 建立的高速列車仿真模型如圖4 所示。

圖4 列車客室火災(zāi)數(shù)值計算模型Fig.4 Numerical calculation model of the train compartment fire

1.2 材料參數(shù)

錐形量熱儀（cone calorimeter）是20 世紀(jì)80年代早期美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院開發(fā)的一種基于耗氧原理的實驗室尺度材料燃燒行為測試儀器，如圖5 所示。錐形量熱儀具有精度較高、參數(shù)測定值受外界因素影響小、與大型實驗結(jié)果相關(guān)性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域的研究。錐形量熱儀可以檢測到燃燒樣品的多個性能參數(shù)，如點燃時間（TTI）、熱釋放速率（HRR）、熱釋放速率峰值（PHRR）、熱釋放速率峰值對應(yīng)時間（T）、總釋熱量（THR）、質(zhì)量損失速率（MLR）、比消光面積（SEA）、有效燃燒熱（EHC）以及相關(guān)燃燒氣體的毒性和腐蝕性等[8]。因此，本文采用符合ISO5660 國際標(biāo)準(zhǔn)的錐形量熱儀作為材料燃燒特性測試的標(biāo)準(zhǔn)實驗方法。

圖5 錐形量熱儀結(jié)構(gòu)及外形Fig.5 Cone calorimeter schematic structure and actual view

所用實驗樣品面積尺寸均為10cm×10cm，厚度為車體的真實厚度。實驗過程中除了樣品頂面露置在空氣中外，其余各面均用鋁箔包覆。實驗前，將樣件放置在23℃、相對濕度50%環(huán)境下調(diào)節(jié)48小時至質(zhì)量恒定（質(zhì)量變化小于0.1g）。如圖6 所示，在實驗進(jìn)行時，對樣品照射加熱，使其燃燒。

圖6 樣品材料實驗測試Fig.6 Experimental test of sample materials

高速列車客室內(nèi)裝材料比較復(fù)雜，同一部件不同區(qū)域材料組成也不盡相同，例如，側(cè)墻采用的防寒材在不同部位可能選用不同材料。為簡化計算模型，本文主要考慮座椅、側(cè)墻板、頂板、地板及間壁等占比較大、對客室火災(zāi)蔓延有重要作用的可燃材料。錐形量熱儀測試得到主要可燃材料單位面積熱釋放速率曲線如圖7 所示。

圖7 主要可燃材料單位面積熱釋放速率曲線Fig.7 Heat release rate curve of main combustible materials per unit area

1.3 網(wǎng)格尺寸與計算域

本文采用的是FDS 湍流模型中的大渦模擬，網(wǎng)格尺寸應(yīng)小到足以包含大渦運動的湍流尺度。但是，受計算機資源限制，過小的網(wǎng)格尺寸會導(dǎo)致計算時間增長，過大的網(wǎng)格尺寸不能保證計算結(jié)果的精確性。在進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬之前，需要對網(wǎng)格尺寸進(jìn)行評估分析。

在火災(zāi)模擬中，需要精確的模擬出火災(zāi)場中的溫度分布、蔓延情況及熱釋放速率變化等關(guān)鍵參數(shù)，因此，模擬的網(wǎng)格需要足夠精細(xì)。FDS 軟件用戶指南給出了火災(zāi)特征直徑的估計值D*：

式中，D*為火源特征直徑，m；Q為總熱釋放速率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，此處取1.204kg/m3；Cp為環(huán)境空氣比熱，此處取1.005，kJ/kg·K；T∞為環(huán)境空氣溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

由式（1）可知，影響火災(zāi)特征直徑D*的關(guān)鍵參數(shù)為火災(zāi)熱釋放速率Q。火災(zāi)特征直徑D*隨火災(zāi)熱釋放速率增大而增大。

許多學(xué)者對網(wǎng)格尺寸的選取進(jìn)行了研究，如胡隆華[9]在隧道火災(zāi)研究中心將網(wǎng)格尺寸取在0.1～0.12D*之間。YZ Li[10]在利用FDS 對瑞典SP全尺寸地鐵列車火災(zāi)實驗進(jìn)行數(shù)值計算研究中將網(wǎng)格尺寸取為0.1m，計算值與實驗結(jié)果比較相符。參考以上研究，本文決定將網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.08m。

高速列車燃燒過程中，車廂內(nèi)熱煙氣與車廂周圍新鮮空氣相互交換，故計算區(qū)域也是影響列車火災(zāi)數(shù)值計算的一個重要因素。為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需將開口處的計算區(qū)域向外延展適當(dāng)距離。王升[11]通過對不同計算區(qū)域擴(kuò)展量時我國高速列車火災(zāi)熱釋放速率的計算表明，當(dāng)列車外計算區(qū)域擴(kuò)展至1.5m 后，繼續(xù)擴(kuò)展計算區(qū)域?qū)馂?zāi)熱釋放速率的影響較小。本文參考其研究結(jié)果來確定高速列車客室火災(zāi)計算區(qū)域的設(shè)置。如圖8 所示為本文高速列車火災(zāi)數(shù)值計算模型計算區(qū)域設(shè)置示意圖。

圖8 計算區(qū)域設(shè)置Fig.8 Calculation locale

利用FDS 中的supply 邊界即進(jìn)口速度邊界條件來模擬高速列車運行時從列車周圍擾流的空氣速度場。高速列車運行過程中車門均關(guān)閉，為考慮空氣流場與車廂內(nèi)燃燒的相互作用，考慮實際情況中可能出現(xiàn)乘客擊碎列車逃生窗的情形，將列車火源附近的逃生窗全部打開。

2 數(shù)值計算結(jié)果及分析

如圖9 所示為計算得到的各運行速度下列車客室火災(zāi)熱釋放速率曲線。從圖中可以看出，0～200s 時各運行速度下的熱釋放速率增長趨勢幾乎一致，200s 之后各運行速度下列車熱釋放速率曲線可以明顯地分為兩類：30km/h、40km/h、50km/h時火災(zāi)熱釋放速率曲線較為接近，60km/h、70km/h、80km/h 時的火災(zāi)熱釋放速率曲線也較為接近。以80km/h 時的火災(zāi)熱釋放速率曲線為例，火災(zāi)熱釋放速率曲線明顯可以分為兩個階段：初期增長階段和快速增長階段。0～200s 即為初期增長階段，火災(zāi)熱釋放速率在這段時間內(nèi)增長速度較慢，熱釋放速率始終保持在較低水平，200s 時熱釋放速率僅僅為2.96MW。200s 后火災(zāi)逐漸進(jìn)入快速增長階段，熱釋放速率急劇上升，最終在590s 左右達(dá)到峰值28MW。同時熱釋放速率曲線表明列車客室火災(zāi)在快速增長階段熱釋放速率近似呈線性增長，增長速度極快。

圖9 不同運行速度下列車火災(zāi)熱釋放速率圖Fig.9 Heat release rate diagram of train fire under different running speed

如圖10 所示為不同運行速度下列車火災(zāi)熱釋放速率峰值以及相鄰兩運行速度間的熱釋放速率峰值增加率曲線。從圖中可以看出，30km/h～80km/h運行速度下的列車火災(zāi)熱釋放速率峰值分別為9.56MW、11.2MW、12.9MW、23.3MW、25.8MW和28MW。以60km/h 為界線，運行速度大于等于這一數(shù)值時的列車火災(zāi)熱釋放速率峰值超過了低于這一數(shù)值時的兩倍。同時，熱釋放速率峰值隨著列車運行速度的提高而增大。從圖10 中還可以看出，運行速度在30km/h～50km/h 時，火災(zāi)熱釋放速率峰值的增加率較低，即這三種不同運行速度下熱釋放速率的峰值較為接近，同樣的規(guī)律在60km/h～80km/h 這個運行速度區(qū)間內(nèi)也有體現(xiàn)。但是，當(dāng)運行速度由50km/h 提高到60km/h 時，火災(zāi)熱釋放速率峰值急劇增加。這和圖9 中熱釋放速率曲線明顯分為兩類的結(jié)論相符合。

圖10 速度-HRR 峰值/HRR 峰值增加率Fig.10 Sspeed-HRR peak/HRR peak increase rate

將熱釋放速率達(dá)到峰值的20%～80%這一階段視為火災(zāi)快速增長階段，分別得到各運行速度下列車在火災(zāi)快速增長階段的熱釋放速率增長速率如圖11 所示。從圖中可以看出，盡管70km/h 時的火災(zāi)增長速率比60km/h 時要低，但列車火災(zāi)增長速率總體上隨著列車運行速度的提高而增大。

圖11 速度-火災(zāi)增長速率Fig.11 Speed-Fire growth rate

3 結(jié)論

通過對高速列車在30km/h～80km/h 時速下運行時的熱釋放速率進(jìn)行研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）列車在30km/h～80km/h 時速下運行時的火災(zāi)熱釋放速率峰值分別為9.56MW、11.2MW、12.9MW、23.3MW、25.8MW 和28MW。

（2）列車火災(zāi)熱釋放速率峰值隨著列車運行速度的提高而增大。

（3）運行速度在30km/h～50km/h 時，列車火災(zāi)熱釋放速率的峰值較為接近，同樣的規(guī)律在60km/h～80km/h 這個運行速度區(qū)間內(nèi)也有體現(xiàn)，當(dāng)運行速度由50km/h 提高到60km/h 時，火災(zāi)熱釋放速率峰值急劇增加。

（4）盡管70km/h 時的火災(zāi)增長速率比60km/h時要低，但列車火災(zāi)增長速率總體上隨著列車運行速度的提高而增大。