高速列車火災(zāi)疏散性能研究

田 鑫 蘇燕辰 席亞軍 王建帆

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,610031,成都; 2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,610031,成都∥第一作者,碩士研究生)

?

高速列車火災(zāi)疏散性能研究

田 鑫1蘇燕辰1席亞軍2王建帆1

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,610031,成都; 2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,610031,成都∥第一作者,碩士研究生)

針對高速列車火災(zāi)逃生通道狹小的特點(diǎn),首先利用Pyrosim仿真軟件結(jié)合真實(shí)燃燒試驗(yàn)所得的材料參數(shù),進(jìn)行了列車的火災(zāi)仿真。通過火勢擴(kuò)散程度、溫度、熱流量和煙層高度變化,確定了火災(zāi)狀況下列車內(nèi)乘客的極限逃生時間。然后通過人群疏散演練試驗(yàn),并用Pathfinder軟件對疏散情況仿真建模,確定了人群實(shí)際的疏散逃生時間。在列車中部起火后,引導(dǎo)疏散方案與自由疏散方案均能滿足仿真所得的極限逃生時間要求,但引導(dǎo)疏散方案的效率更高。 通過對整列列車的軌道面疏散仿真發(fā)現(xiàn),若配有逃生梯的車廂起火,應(yīng)及時將逃生梯轉(zhuǎn)移,以大幅提高疏散效率。

高速列車; 火災(zāi)疏散; 仿真研究

First-author′s address School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,610031,Chengdu,China

高速列車以其舒適、安全、便捷、環(huán)保等優(yōu)勢,近年來得到了快速發(fā)展,截至2015年底，我國高速列車運(yùn)營里程突破1.9萬km,高居世界第一。高速列車通道狹小,如發(fā)生火災(zāi)將嚴(yán)重危害車上人員的生命財產(chǎn)安全。文獻(xiàn)[1]運(yùn)用計算流體動力學(xué)的方法模擬分析了高速列車在火災(zāi)繼續(xù)運(yùn)行模式下的人員逃生安全性。文獻(xiàn)[2]利用FDS軟件探究了火災(zāi)危害因素，進(jìn)而討論了隧道內(nèi)列車火災(zāi)疏散的安全性。文獻(xiàn)[3]探討了CRH1型高速列車不同火源位置對人員疏散的影響。

本文通過火災(zāi)數(shù)值仿真進(jìn)行真實(shí)場景的疏散演練,并從對整列列車進(jìn)行軌道面疏散仿真入手,來綜合研究列車突發(fā)火災(zāi)的疏散問題。首先，通過實(shí)際材料的燃燒試驗(yàn)得到相關(guān)材料參數(shù),再利用Pyrosim火災(zāi)模擬軟件建模進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬,并通過分析溫度及煙氣等對人員疏散構(gòu)成威脅的參數(shù)來確定可用的疏散時間[2]；然后，通過對真實(shí)場景的人員疏散演練試驗(yàn)及疏散仿真模擬,確定實(shí)際耗費(fèi)的疏散時間；最后，結(jié)合具體的場景分析,探討高速列車的火災(zāi)疏散性能。

1 高速列車熱釋放仿真

1.1 Pyrosim軟件建模

火災(zāi)分析軟件FDS廣泛應(yīng)用于火災(zāi)模擬分析。Pyrosim是一款用于FDS軟件預(yù)處理和后處理的圖形軟件,因其使用便捷,在FDS建模分析中被普遍采用[4-6]。

本文分析所用的車輛模型為CRH2型高速動車組,其車體尺寸與幾何參數(shù)均與真實(shí)車輛相同。材料的熱力學(xué)參數(shù)基于試驗(yàn)所得數(shù)據(jù),且所做試驗(yàn)均參照燃燒熱釋放相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定[7-8]。列車內(nèi)飾主要材料的熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。仿真所采用的火源位于列車中部座椅處?；鹪疵娣e為0.04 m2,火源的功率為0.02 MW。列車仿真模型及火源位置如圖1所示。

表1 列車內(nèi)飾主要材料的熱力學(xué)參數(shù)

圖1 列車仿真模型及火源位置

1.2 熱釋放仿真結(jié)論

根據(jù)表1的熱力學(xué)參數(shù),在Pyrosim中建模，模擬分析火災(zāi)擴(kuò)散趨勢、溫度、熱流量及煙層高度,得到圖2～圖4。

圖2 車廂中部溫度變化

圖3 右端車門處的熱流量變化

圖4 車廂中部位置煙層高度變化

根據(jù)模擬結(jié)果，火源起火200 s后,車廂中部火勢加速擴(kuò)大,并開始引燃周邊座椅?；饎萦新于厔?將對車廂內(nèi)乘客的生命安全構(gòu)成威脅。因此在車廂內(nèi)火勢擴(kuò)散前,乘客需要離開車廂。

從圖2可知,當(dāng)火災(zāi)發(fā)生226 s后,車廂中部溫度呈現(xiàn)指數(shù)型上升趨勢,迅速超過人體可接受的極限溫度(100 ℃),并在475 s左右達(dá)到臨界穩(wěn)定溫度450 ℃。因此，應(yīng)在火災(zāi)發(fā)生后226 s內(nèi)將乘客疏散離開車廂。

從圖3可知,在火災(zāi)發(fā)生294 s內(nèi),端門處的熱流量尚基本穩(wěn)定；但在294 s時端門處熱流量突然發(fā)生跳變急劇上升,達(dá)到對人體構(gòu)成威脅的閥值(2.5 kW);在火災(zāi)發(fā)生600 s時車廂內(nèi)的熱流量達(dá)到臨界值(800 kW左右)，此后才穩(wěn)定下來。此時，環(huán)境已不適合人類的存在,應(yīng)避免車廂附近仍然有乘客逗留。

從圖4可知,在火災(zāi)發(fā)生72 s后,煙氣層的高度跳變至1.5 m,基本處于人體呼吸的位置。煙氣中包含的有毒氣體(CO等)會對疏散人員構(gòu)成危害。此時,車廂內(nèi)的乘客應(yīng)盡量低身前進(jìn),并迅速撤離。

2 疏散演練試驗(yàn)及仿真

2.1 疏散演練試驗(yàn)

2.1.1 疏散演練試驗(yàn)概況

演練模擬選擇位于列車中部的7號車廂。疏散按自由疏散和引導(dǎo)疏散兩種情況進(jìn)行。車廂滿載乘客共85人。乘客自響應(yīng)起火開始轉(zhuǎn)移,從兩端車門離開車廂。演練使用煙霧彈模擬起火的現(xiàn)場煙氣工況。演練示意圖見圖5。

圖5 列車7號車廂(二等座車廂)中部起火疏散演練示意圖

本次演練試驗(yàn)參加人員多為男性。試驗(yàn)人員肩寬尺寸平均值為45.02 cm,最大值為55 cm,最小值為39 cm；年齡平均值為28.39歲,最大值為55歲,最小值為21歲。為了確定在列車內(nèi)人員的行走速度,試驗(yàn)記錄了50位參演人員經(jīng)過7號車廂2個內(nèi)端門的時間差及這2個內(nèi)端門之間的距離,進(jìn)而計算得到人員的行走速度。自由疏散時，人員行走速度呈標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.21 m/s、均值為1.52 m/s、最大值為2.35 m/s、最小值為1 m/s的正態(tài)分布。引導(dǎo)疏散時，人員行走速度呈標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.68 m/s、均值為2.49 m/s、最大值為4.37 m/s、最小值為1.79 m/s的正態(tài)分布?？梢?引導(dǎo)疏散相比自由疏散能夠大幅減少疏散時間。

2.1.2 消防設(shè)施配置

列車車廂內(nèi)合理配置消防設(shè)施可對人員的安全疏散起到重要作用。列車全車廂配置了煙火報警系統(tǒng)。發(fā)生火災(zāi)時車廂內(nèi)的空調(diào)會自動關(guān)閉以減弱火勢蔓延。車廂之間設(shè)置了防火隔離門，其與墻壁接觸處的膠條受熱會膨脹,能有效減弱煙氣擴(kuò)散。8輛編組的列車在部分車廂的備品柜中放有逃生梯/救援渡板,可向地面及救援列車疏散乘客。

2.1.3 疏散演練效果

從實(shí)際的疏散演練可以看出,引導(dǎo)疏散使人群更有秩序,不會發(fā)生多人擁擠現(xiàn)象。由于人群在車廂內(nèi)面對煙氣環(huán)境會產(chǎn)生急躁心理,出現(xiàn)躁動,進(jìn)而降低疏散效率,因而相對于引導(dǎo)疏散，自由疏散的響應(yīng)時間和轉(zhuǎn)移時間均有所增加。可見,當(dāng)車廂內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，對人群進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)更有助于規(guī)避風(fēng)險。具體疏散時間統(tǒng)計見表2。

表2 疏散演練時間統(tǒng)計表

2.2 安全疏散模擬仿真

Pathfinder軟件通過對環(huán)境、人員屬性等參數(shù)的設(shè)置,使仿真更加逼近真實(shí)結(jié)論[9]。軟件中針對疏散有SFPE和Steering兩種模式可以選擇,本文采用基于多智能體技術(shù)設(shè)計的Steering模式作為人員疏散的指導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行仿真[10-11]。

仿真假定滿載乘客的列車7號車廂(二等座車廂)中部起火。列車緊急制動并搭設(shè)逃生梯進(jìn)行軌道面疏散。疏散人員應(yīng)盡量遠(yuǎn)離起火車廂。由于空間狹小及需搭設(shè)逃生設(shè)施等限制,所以軌道面疏散耗時較長。7號車廂搭載有1架逃生梯。疏散方案分為逃生梯未及時轉(zhuǎn)移至其他車廂(方案一)和及時轉(zhuǎn)移至其他車廂(方案二兩種。逃生梯設(shè)置方案見圖6及圖7。為更接近真實(shí)狀況,仿真采用自由疏散的時間參數(shù),而人員參數(shù)(如肩寬、舒適距離及行走速度等)根據(jù)疏散演練的數(shù)據(jù)合理設(shè)置。

圖6 方案一

圖7 方案二

仿真采用的逃生梯參數(shù)(幾何尺寸及速度參數(shù))為疏散演練時所統(tǒng)計的真實(shí)數(shù)值。2種方案的軌道面疏散時間仿真結(jié)果見表3。根據(jù)仿真結(jié)果，及時將起火車廂備品柜中的逃生梯轉(zhuǎn)移,可大幅提高疏散效率。

表3 軌道面疏散時間統(tǒng)計

3 結(jié)論

通過對列車的火災(zāi)數(shù)值仿真、實(shí)際疏散演練及軌道面疏散仿真的研究,可得到如下結(jié)論:

(1) 分析列車起火后的火勢擴(kuò)展、溫度變化、煙氣層高度變化及熱流量變化可知,車內(nèi)轉(zhuǎn)移時間應(yīng)盡量控制在火災(zāi)發(fā)生72 s之內(nèi)。因?yàn)榱熊囎纹鸹?2 s后,產(chǎn)生的毒害煙氣將對人體正常呼吸構(gòu)成危害。車廂內(nèi)轉(zhuǎn)移的乘客應(yīng)盡量低身前進(jìn)?；馂?zāi)發(fā)生后200～300 s時,車內(nèi)溫度、火勢、熱流量都會發(fā)生大幅提高。此時，人群應(yīng)盡量遠(yuǎn)離起火列車。

(2) 通過疏散演練發(fā)現(xiàn),在列車中部起火的情況下,引導(dǎo)疏散與自由疏散均能在煙氣及溫度對人體構(gòu)成威脅前使乘客安全撤離車廂。引導(dǎo)疏散方案效率更高。

(3) 針對7號車廂(二等座車廂)起火的情況,通過對列車的軌道面疏散仿真發(fā)現(xiàn),只有3個逃生梯時，全車乘客轉(zhuǎn)移耗時610 s；而4個逃生梯均能使用時，全車乘客轉(zhuǎn)移耗時475 s?？梢?，在配有逃生梯的車廂起火時,應(yīng)及時轉(zhuǎn)移逃生梯,以大幅減小疏散時間。

(4) 列車的材料燃燒測試結(jié)果及人員的實(shí)際疏散演練結(jié)果均驗(yàn)證了Pyrosim軟件對火災(zāi)數(shù)值模擬計算的實(shí)用性。Pathfinder軟件的人員疏散仿真能為乘客疏散逃生提供指導(dǎo)幫助。

[1] 謝雄耀,丁良平,李永盛.高速鐵路隧道火災(zāi)列車?yán)^續(xù)運(yùn)行疏散模式CFD分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,38(12):1747-1725.

[2] 謝寶超,徐志勝.客運(yùn)專線隧道火災(zāi)疏散研究[J].鐵道學(xué)報,2013,35(8):102-108.

[3] 宋越菡,朱杰.高速列車二等車不同火源位置人員疏散分析及優(yōu)化[J].消防科學(xué)與技術(shù),2016,35(1):55-58.

[4] 王建帆,蘇燕辰.高速列車材料測試及轟燃研究[J].中國測試,2016,42(2):127-131.

[5] 尚超,王克印,黃海英,等.基于PyroSIM的火災(zāi)樹木建模研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2013,32(9):1030-1033.

[6] 姚小林.CRH1型動車組列車火災(zāi)熱釋放速率研究[D].成都:西南交通大學(xué),2013.

[7] ISO.Reaction to fire tests,heat release,smoke production and mass loss rate-Part 1:Heat release rate(cone calorimeter method):ISO 5660-1—2002[S].IX-Geneva:ISO,2002:1-38.

[8] ISO.Reaction to fire tests for building products—Determination of the heat of combustion:EN ISO 1716—2002[S].Brussels:EN ISO,2002:1-29.

[9] 姜子港,劉曉棟,霍非舟,等.基于Pathfinder的商場人員疏散仿真[J].火災(zāi)科學(xué),2014,23(4):175-181.

[10] HA V,LVKOTRAFITIS G.Agent-based modeling of a multi-room muti-floor building emergency evacuation[J].Pysica A Statiatical Mechanics & Its Applications,2012,391(8):2074-2051.

[11] 劉晨赟,韓雪峰,蔣軍成.地鐵站火災(zāi)人員疏散時間評估方法探討[J].城市軌道交通研究,2015,38(10):79-83.

Research on the Evacuation of High-speed Train in Fire Disaster

TIAN Xin,SU Yanchen,XI Yajun，WANG Jianfan

In view of the narrow escape passage on high-speed train when a fire breaks out,the case in running train is simulated based on material parameters obtained by Pyrosim simulation software combined with real combustion test.The ultimate escape time for passengers in case of fire is confirmed by investigating into the changes of fire spreading degree,temperature,heat flow and smoke layer height. Subsequently,the actual evacuation and escape time are confirmed by crowd evacuation drill and test,Pathfinder software is used for simulation modeling on the evacuation.When the fire bereaks out in the middle of the train,both the guided evacuation time and the free evacuation time can meet the limit time through fire numerical simulation,but the efficiency of guided evacuation is higher.By simulating the orbital plane evacuation of the whole train,if the carriage with emergency ladder is on fire,the ladder should be transferred in time to improve the evacuation efficiency substantially.Key words high-speed train; fire evacuation; simulation

U298.4∶U292.91+4

10.16037/j.1007-869x.2017.06.015

2016-04-22)