基于FDS的高鐵站多功能候車座椅火災(zāi)輻射分析

楊 蔚，馬 益，顧 滿

(上海富士特消防安全咨詢有限公司，上海 200032)

0 引言

高鐵站作為城市的交通樞紐，有著人員流動(dòng)密度大、火災(zāi)危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)[1]，消防安全受到廣泛關(guān)注[2]。隨著高鐵站的設(shè)計(jì)越來越人性化，為給旅客提供更舒適的候車體驗(yàn)，多功能候車座椅在高鐵站候車廳得到廣泛應(yīng)用[3]。多功能候車座椅是一種帶有按摩功能的座椅，更容易引發(fā)大規(guī)模火災(zāi)，且多功能座椅體積較大[4]，火災(zāi)發(fā)生后的疏散過程，可能會(huì)阻擋車站內(nèi)人員的疏散路線，影響車站內(nèi)的人員疏散。

本文以某高鐵站布置的多功能按摩座椅為例，對(duì)高鐵站內(nèi)多功能候車座椅整個(gè)火災(zāi)過程進(jìn)行深入分析，為高鐵站內(nèi)候車座椅的布置間距及消防安全管理提供依據(jù)。

1 整組多功能候車座椅火災(zāi)數(shù)值模擬

1.1 FDS數(shù)值模擬方法

火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)是基于場模擬的火災(zāi)模擬軟件，重點(diǎn)對(duì)燃燒場景內(nèi)的熱煙氣流動(dòng)和熱量的傳輸進(jìn)行計(jì)算[5]。通過FDS軟件，將計(jì)算區(qū)域分為大量的控制體，通過數(shù)值計(jì)算分析求解各個(gè)小單位的關(guān)系式，由計(jì)算機(jī)求得控制體的各個(gè)參數(shù)值，從而對(duì)火災(zāi)的燃燒場景進(jìn)行較為細(xì)致的描述。

1.2 模型建立

本文選用某高鐵站所布置的整組多功能候車座椅為研究對(duì)象，共12座。座椅包括靠背、坐墊、腳墊、扶手、底座等部分。座椅底座設(shè)置成惰性材料，兩側(cè)扶手和外殼設(shè)置成經(jīng)調(diào)整后的PVC(即ABS固體)，其余的設(shè)置為FOAM聚氨酯泡沫，并帶有0.01 m厚度的PU皮革層。

1.3 模擬設(shè)置

根據(jù)多功能候車座椅檢測(cè)報(bào)告，多功能候車座椅最大熱釋放速率為84.43 kW。因此本文選取84.43 kW作為本次模擬的預(yù)估火源熱釋放速率。在y方向設(shè)置一排熱電偶和熱輻射測(cè)點(diǎn)用于測(cè)量溫度和熱輻射衰減，設(shè)置若干切片觀察溫度分布情況。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 熱釋放速率分析

圖1為整組多功能候車座椅同時(shí)被點(diǎn)燃時(shí)的火災(zāi)熱釋放速率(HRR)變化曲線?？梢钥闯觯M多功能候車座椅同時(shí)被點(diǎn)燃時(shí)，HRR發(fā)展前期類似于t2火趨勢(shì)發(fā)展，最大HRR為1 020 kW，與整組多功能候車座椅同時(shí)燃燒時(shí)的最大HRR=12×84.43 kW=1 013.16 kW接近，因此用該簡化模型分析整組多功能候車座椅火災(zāi)外場輻射情況是合理的。

圖1 整組多功能候車座椅同時(shí)被點(diǎn)燃的HRR變化曲線

2.2 溫度和熱輻射衰減分析

本文選取了數(shù)量最多的整組12座、位于靠近高鐵站候車室入口西側(cè)位置的多功能候車座椅作為溫度和熱輻射衰減的評(píng)估對(duì)象，位置布置如圖2所示。其中南北整組間距2.50 m、東西整組間距2.50 m。以整組12座多功能候車座椅中心為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)軸，探究火災(zāi)發(fā)生時(shí)的溫度和熱輻射衰減。

圖2 多功能候車座椅布置和坐標(biāo)設(shè)定

圖3表示不同位置D處的溫度和熱輻射隨時(shí)間變化曲線?？梢钥闯觯煌恢肈處的溫度和熱輻射的變化趨勢(shì)與HRR變化曲線相似，均表現(xiàn)為先增大后穩(wěn)定，最終降低的趨勢(shì)。同時(shí)可以看出，D值越大，溫度和熱輻射越小。從圖 3中可以看出，穩(wěn)定階段內(nèi)的溫度和熱輻射最高，因此本文選取穩(wěn)定階段的溫度、熱輻射平均值作為位置D處的溫度、熱輻射特征值，如圖 4所示。不難發(fā)現(xiàn)，溫度和熱輻射隨位置D呈指數(shù)衰減，其中距離火源最近的測(cè)點(diǎn)溫度最高約為250 ℃，溫度在3.5 m處衰減至環(huán)境溫度。

圖3 不同位置D處熱輻射和溫度隨時(shí)間變化曲線

圖4 外場熱輻射和溫度衰減曲線

事實(shí)上，溫度、熱輻射以及可燃物表面接收熱量的時(shí)間共同決定了可燃物是否可以被點(diǎn)燃。考慮最不利原則，本文認(rèn)為可燃物表面在一定時(shí)間內(nèi)所接收的輻射熱流達(dá)到臨界輻射熱流強(qiáng)度時(shí)就會(huì)被引燃。本文選用的多功能候車座椅，主要由皮革、絨布、耐磨布、海綿、吹塑料、注塑料等材料組成，因此本文采用聚亞氨酯材料臨界輻射熱流強(qiáng)度7 kW/m2作為引燃相鄰座椅的指標(biāo)。圖 4中Φ*=7 kW/m2的直線與外場熱輻射曲線的交點(diǎn)，即為臨界安全距離D*，可以得到臨界安全距離D*約為0.65 m。

3 整組多功能候車座椅熱輻射理論計(jì)算

火源外場熱輻射理論計(jì)算公式如下[6]：

(1)

對(duì)于一個(gè)單一的火焰，如果火焰尺寸較小，可將火焰輻射模型簡化為一個(gè)點(diǎn)源輻射，而本文整組多功能候車座椅長度約為4.7 m，熱輻射衰減的研究區(qū)域?yàn)?～5.0 m，多功能候車座椅總長度約等于研究區(qū)域距離，因此如果將整組多功能候車座椅看作一個(gè)整體的點(diǎn)源輻射是不合理的。相反的，單一多功能候車座椅尺寸為0.775 m，寬0.630 m，高1.080 m，遠(yuǎn)小于5.0 m，可簡化為一個(gè)點(diǎn)源輻射模型。基于此，本文對(duì)整組多功能候車座椅火災(zāi)進(jìn)行簡化處理，并作出以下簡化假設(shè)。①設(shè)整組多功能候車座椅是由N個(gè)單一多功能候車座椅組成，即組成了N個(gè)點(diǎn)源輻射。②假設(shè)可燃物接收輻射位置是一個(gè)微元面，且該微元面正對(duì)著第一個(gè)著火座椅。③假設(shè)多功能候車座椅火源之間不會(huì)互相影響，即單一多功能候車座椅的熱釋放速率恒定。

基于上述假設(shè)，各單一多功能候車座椅均會(huì)對(duì)外場某個(gè)微元面產(chǎn)生熱輻射的影響，如圖5所示。

圖5 整組多功能候車座椅火災(zāi)熱輻射線性疊加計(jì)算原理

根據(jù)圖5，可得到簡化后的線性加合模型公式，用于計(jì)算可燃物微元表面所接收的總熱輻射：

(2)

其中x為目標(biāo)可燃物距離著火座椅質(zhì)心距離的正切值(注意該公式假設(shè)了微元面的位置)。i代表火蔓延至第i個(gè)多功能候車座椅序數(shù)，也表示有2i-1個(gè)多功能候車座椅同時(shí)處于充分燃燒階段。

考慮到最不利原則，本文忽略正面多功能候車座椅對(duì)背面多功能候車座椅的熱輻射遮擋作用，設(shè)計(jì)了公式估計(jì)不考慮遮擋的輻射，即假設(shè)整組多功能候車座椅均處于充分燃燒階段，并作出以下簡化假設(shè)。①兩個(gè)背靠背的著火多功能候車座椅可視作同一個(gè)輻射點(diǎn)源，其質(zhì)心位置為兩個(gè)多功能候車座椅的中心。②兩個(gè)背靠背著火多功能候車座椅的火源熱釋放速率為單一多功能候車座椅的2倍。③正面多功能候車座椅不會(huì)遮擋背面多功能候車座椅的熱輻射。

使用疊加公式(2)，帶入數(shù)據(jù)得到：

(3)

利用MATLAB進(jìn)行疊加計(jì)算，得到結(jié)果如圖6所示，可以看出，整組多功能候車座椅均處于充分燃燒階段時(shí)，臨界引燃距離 D*約為0.7 m。

圖6 不同距離微元面接收的輻射熱計(jì)算(不考慮遮擋)

4 結(jié)論

本文以某高鐵站多功能候車座椅為例，選擇數(shù)量最多的整組12座新增多功能候車座椅，建立了FDS模型，并簡化了材料熱解反應(yīng)，分析了整組多功能候車座椅的熱釋放速率變化情況，探究了整組多功能候車座椅均處于充分燃燒階段時(shí)對(duì)外場溫度和熱輻射的影響，對(duì)整組多功能候車座椅的臨界引燃距離進(jìn)行計(jì)算，主要結(jié)論如下。

1)利用FDS得出的整組候車座椅的熱釋放速率與理論值相近，不同位置D處的溫度和熱輻射的變化趨勢(shì)與HRR變化曲線相似，均表現(xiàn)為先增大后穩(wěn)定，最終降低的趨勢(shì)。

2)考慮最不利原則，通過FDS仿真模擬得出整組12座多功能候車座椅均處于充分燃燒階段時(shí)的臨界引燃距離D*約為0.65 m。

3)根據(jù)最不利原則，忽略了正面多功能候車座椅遮擋作用，通過理論計(jì)算可得出整組12座多功能候車座椅均處于充分燃燒階段時(shí)的臨界引燃距離D*為0.7 m。