多區(qū)域地鐵車廂火災(zāi)煙氣蔓延特性的數(shù)值仿真研究

陳 斯，蘇釗頤，陶 濤，周昕怡，張 永

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司 運(yùn)營事業(yè)部，廣州 510335；2. 南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210094）

隨著城市地鐵建設(shè)的迅猛發(fā)展，如何保障地鐵安全可靠運(yùn)營受到廣泛關(guān)注。地鐵隧道空間相對封閉，火災(zāi)救援比較困難，易造成嚴(yán)重的財產(chǎn)損失和人員傷亡[1]。因此，對地鐵車廂火災(zāi)煙氣蔓延特性的研究對于保障乘客的安全性和可靠性尤為重要。

針對地鐵火災(zāi)煙氣蔓延特性的研究，目前主流的研究方法包括全尺寸試驗(yàn)、小尺寸模型實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬3 種[2]。Duck 等人在一列靜止列車上進(jìn)行全尺寸燃燒試驗(yàn)，研究整個火災(zāi)過程中熱釋放速率變化情況，并考慮通風(fēng)條件改變時，熱釋放速率的相應(yīng)變化[3]。王少華以車廂內(nèi)部火源隨列車?yán)^續(xù)運(yùn)動的場景為研究對象，探討隧道中運(yùn)動列車車廂內(nèi)部火災(zāi)的煙氣蔓延規(guī)律，分析列車運(yùn)行速度等因素對煙氣運(yùn)動過程的影響[4]。莫善軍等人采用Phoenics 軟件對列車車廂火災(zāi)引發(fā)的煙氣流動進(jìn)行數(shù)值模擬，分析緊急狀況下煙氣和溫度變化對列車人員疏散的影響[5]。范騰毅等人采用1：20 縮尺模型，在不同風(fēng)口尺寸、不同火源熱釋放速率以及不同排煙量等條件下，研究地鐵長區(qū)間隧道火災(zāi)雙點(diǎn)排煙的頂部煙氣溫度分布特性與煙氣流動特性[6]。易欣等人基于Froude 相似性原理，采用1：10 小尺寸實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究火源功率、縱向通風(fēng)速度對隧道區(qū)間火災(zāi)時溫度特性的影響[7]。謝洪生詳細(xì)分析地鐵火災(zāi)特點(diǎn)，計算地鐵火災(zāi)時疏散時間[8]。Rickard 通過全尺寸試驗(yàn)，分析地鐵列車隧道火災(zāi)的煙氣特性[9]。李真利用數(shù)值模擬的方法分析地鐵火災(zāi)的煙氣蔓延規(guī)律和人員疏散情況，提出合理的人員疏散應(yīng)急方案，并利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行動態(tài)仿真，驗(yàn)證其可行性[10]。

本文基于數(shù)值模擬方法，對廣州地鐵3 號線B型車車廂建立全尺寸模型，研究不同區(qū)域的火源在靜止車廂燃燒的火災(zāi)蔓延特性規(guī)律，提出可用安全疏散時間（ASET，Available Safety Egress Time）的評價指標(biāo)，分析不同車廂區(qū)域發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險性，為地鐵車廂的消防安全設(shè)計提供參考。

1 ASET

1.1 火災(zāi)發(fā)展過程

火災(zāi)的發(fā)展可大致分為初始增長、充分發(fā)展和衰弱熄滅3 個階段[10]。初始增長階段是指大部分固體可燃物在建筑內(nèi)局部空間引燃，并逐漸失去控制的階段；充分發(fā)展階段是指更多的可燃物被持續(xù)引燃，火災(zāi)由室內(nèi)局部燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)槿嫒紵倪^程；衰減熄滅階段是指室內(nèi)可燃物燃燒80%后火勢逐漸減小的階段。

1.2 ASET的判定指標(biāo)

ASET 可表示為乘客從危險區(qū)成功疏散到安全區(qū)的允許時間，主要由火災(zāi)本身的性質(zhì)決定，例如火源功率、火災(zāi)增長速率、火源位置等。同時，燃燒環(huán)境也有一定的影響，例如空氣中的氧氣含量、建筑幾何結(jié)構(gòu)等。常用的火災(zāi)危險判斷指標(biāo)包括車廂能見度、溫度、煙氣層高度等?！兜罔F設(shè)計規(guī)范》（GB50157-2013）中指出，當(dāng)人眼特征高度處（Z=2.0 m）的車廂能見度小于10 m 時，會引起人員不適；當(dāng)乘客所處空間溫度高于60℃時，會限制乘客的自由呼吸；若車廂煙氣層低于人眼特征高度將導(dǎo)致人員發(fā)生危險甚至死亡[11]。

綜上所述，選取車廂平均能見度、溫度和煙氣層高度作為ASET 的判定指標(biāo)，見表1。

表1 ASET的判定指標(biāo)

ASET 為人眼可視高度處以上3 項(xiàng)指標(biāo)到達(dá)臨界值的時間中最短的時間，具體表述為：

其中，t1為能見度指標(biāo)時間，即能見度為10 m的時間；t2為溫度指標(biāo)時間，即溫度為60℃的時間；t3為煙氣層高度指標(biāo)時間，即煙氣層高度最初低于人眼特征高度的時間。

2 模型建立

采用火災(zāi)動態(tài)模擬器（FDS）軟件，建立地鐵列車火災(zāi)模型。

2.1 地鐵列車火災(zāi)模型設(shè)置

（1）列車車廂初始條件及邊界設(shè)置

車廂模型的環(huán)境溫度設(shè)置為25℃，邊界壓力值設(shè)置為1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，單側(cè)車門和車廂端部邊界設(shè)置為開放邊界，其余設(shè)置為用戶自定義型邊界。

（2）火源設(shè)置

國內(nèi)大部分地鐵車廂內(nèi)裝材料表面都附著阻燃材料，降低了由內(nèi)裝材料自燃引發(fā)車廂火災(zāi)的可能。但人為縱火仍然可能導(dǎo)致地鐵火災(zāi)。為此，將火源設(shè)置為人為縱火，火源功率大致在0.468 MW ～1.74 MW 之間[10]，故將火源功率設(shè)置為1 000 kW。

（3）火源增長速率設(shè)置

火源增長速率是指火災(zāi)從發(fā)展初期到穩(wěn)定燃燒階段的發(fā)展速率，對火災(zāi)的燃燒特性有一定影響。為研究最危險情況下火災(zāi)煙氣蔓延特性，將火源增長速率設(shè)置為超快速增長，取值為0.187 6。

（4）測點(diǎn)設(shè)置

在列車中心位置人眼可視高度（Y=1.5 m，Z=2.0 m）處設(shè)置熱電偶，檢測該點(diǎn)溫度，并每間隔5 m 放置一個熱電偶和火災(zāi)煙霧探測器，檢測探測點(diǎn)的能見度和煙氣層高度數(shù)據(jù)。具體設(shè)置如圖1 所示。

（5）網(wǎng)格尺寸設(shè)置

合理的網(wǎng)格尺度既可滿足計算精度的要求，又

圖1 測點(diǎn)布置正視圖

可節(jié)約計算成本。FDS 軟件用戶指南給出的網(wǎng)格尺寸估值方法為：

其中：Q為火災(zāi)熱釋放速率，單位為：kW；ρ∞為環(huán)境密度，單位為：kg/m3；cp為定壓比熱，單位為：kJ/(kg·k)；T∞為環(huán)境溫度，單位為：K；g為重力加速度，單位為：m/s2。

網(wǎng)格尺寸的推薦值為0.06 D* ～0.12 D*，按0.1 D*計算得到的網(wǎng)格尺寸約為0.1 m，可以滿足大多數(shù)火源功率下火災(zāi)仿真的計算要求，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能較好地吻合。

2.2 地鐵列車車廂火源場景設(shè)置

為研究火源位置對地鐵列車車廂燃燒特性的影響，根據(jù)單一變量實(shí)驗(yàn)原則，設(shè)置3 種車廂火源，見表2。

表2 車廂火源類型設(shè)置表

將第3 節(jié)車廂尾部功率為1 000 kw 的火源作為一般典型火源，計算其ASET，其它火源ASET 的計算方法與一般典型火源相同。

3 仿真分析

3.1 典型火災(zāi)場景仿真分析

選取表2 中的火源類型3 作為一般典型火災(zāi)場景進(jìn)行分析，求解其可用安全疏散時間。其它火源的可用安全疏散時間的計算方法與之相同。

（1）能見度分析

車廂各測點(diǎn)能見度變化如圖2 所示，其中，X代表能見度。

由圖2 可知，車廂的能見度變化非常明顯，當(dāng)煙氣未蔓延至測點(diǎn)位置時，車廂的能見度為正?？梢暰嚯x30 m；當(dāng)煙氣蔓延至測點(diǎn)位置時，車廂能見度迅速降低至0 m；靠近火源位置處的能見度下降速率比遠(yuǎn)離火源位置處的能見度下降速度更快。

圖2 火災(zāi)為火源類型3時測點(diǎn)能見度變化曲線

車廂內(nèi)火災(zāi)能見度切面正視圖變化如圖3 所示。由圖3 可知，火災(zāi)發(fā)展初期煙氣迅速蔓延整節(jié)車廂，50 s 時第3 節(jié)車廂能見度迅速降低，100 s 后煙氣蔓延至全部車廂，第1 節(jié)車廂煙氣分層現(xiàn)象明顯，這是因?yàn)閵A雜著大量焦炭顆粒的濃煙溫度非常高，在熱空氣膨脹的向上升力的作用下大量煙氣在車廂頂棚上方聚集，同時冷空氣下沉導(dǎo)致煙氣分層現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖3 火災(zāi)為火源類型3時能見度車廂切面正視圖變化規(guī)律

各測點(diǎn)能見度平均值變化曲線如圖4 所示，根據(jù)能見度指標(biāo)求解該火災(zāi)場景的能見度指標(biāo)時間t1=156 s。

（2）溫度分布分析

車廂內(nèi)溫度切面正視圖的溫度變化如圖5 所示。

圖4 車廂內(nèi)各測點(diǎn)能見度平均值變化曲線

圖5 車廂內(nèi)溫度切面正視圖變化規(guī)律

由圖5 可知，前50 s 時火源所在車廂內(nèi)溫度急劇升高，溫度形成明顯的分層。100 s 時火源從車廂頂棚向第2 節(jié)車廂蔓延，第3 節(jié)車廂頂棚溫度持續(xù)上升，幾乎全部呈現(xiàn)高溫的紅色，同時第2 節(jié)車廂的上層空氣溫度迅速升高，高達(dá)100℃以上，高溫?zé)煔庋刂噹麅?nèi)壁向第1 節(jié)車廂持續(xù)蔓延。150 s ～350 s時段內(nèi)，車廂內(nèi)溫度還是呈緩慢上升趨勢。

繪制車廂各測點(diǎn)溫度變化曲線如圖6 所示。由圖6 可知，車廂內(nèi)所有測點(diǎn)的數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，并在400 s 后維持一定的溫度。將車廂內(nèi)各測點(diǎn)位置的溫度數(shù)據(jù)求取平均值，得到車廂內(nèi)部平均溫度的變化情況，車廂內(nèi)各測點(diǎn)溫度平均值變化如圖7 所示。

觀察圖7 可發(fā)現(xiàn)，由于火源功率較小，且地鐵車廂座椅材料大多使用金屬材料，車廂阻燃性能較好，0 ～50 s 時火災(zāi)發(fā)展初始階段車廂內(nèi)平均溫度緩慢，50 s ～250 s 車廂溫度開始顯著上升，250 s 后車廂內(nèi)溫度穩(wěn)定在80℃；求解得車廂溫度指標(biāo)時間t2=187 s。

圖6 熱電偶測點(diǎn)溫度隨時間變化曲線

圖7 車廂內(nèi)各測點(diǎn)溫度平均值變化曲線

（3）煙氣層高度分析

各測點(diǎn)煙氣層高度變化如圖8 所示。

圖8 煙氣層高度變化曲線

由圖8 可知，在煙氣未達(dá)到探測點(diǎn)時，探測點(diǎn)的煙氣層高度恒為車廂頂棚高度，當(dāng)煙氣蔓延至測點(diǎn)位置，煙氣層高度會迅速下降至1.5 m 左右，并且保持一定高度動態(tài)變化。平均煙氣層高度變化如圖9 所示。

圖9 平均煙氣層高度變化曲線

由圖9 可知，平均煙氣層高度呈階梯狀下降，煙氣層高度指標(biāo)時間為t3=217 s。

表3 火災(zāi)為火源類型3時指標(biāo)時間對照表

表3 為這3 項(xiàng)指標(biāo)時間的匯總，可知能見度指標(biāo)時間最短，即火災(zāi)為火源類型3 時，ASET 取3 者之中最短時間值，為156 s。

3.2 火源不同位置對燃燒特性影響

地鐵車廂空間狹長，因供氧量和可燃物的不同，不同位置火源的燃燒特性可能有所差異。選取3 種火災(zāi)典型場景進(jìn)行燃燒特性對比分析：第1 節(jié)車廂前部、第2 節(jié)車廂中部和第3 節(jié)車廂后部。

（1）能見度分析

各測點(diǎn)能見度的平均值變化如圖10 所示。由圖10 可知，第2 節(jié)車廂發(fā)生火災(zāi)時，能見度下降最快。這說明火源設(shè)置在列車中部時，煙氣蔓延較火源在列車端部蔓延更為迅速；當(dāng)火源設(shè)置在第2 節(jié)車廂中部時，能見度指標(biāo)時間較端部火災(zāi)要短近60 s。

圖10 車廂內(nèi)能見度變化曲線

由車廂內(nèi)能見度指標(biāo)時間對照表4 可知，第2 節(jié)車廂火災(zāi)時，能見度指標(biāo)時間最短，為172 s，比第1 節(jié)車廂發(fā)生火災(zāi)時的指標(biāo)時間短59 s，比第3 節(jié)車廂發(fā)生火災(zāi)時的指標(biāo)時間短77 s；第1 節(jié)車廂火災(zāi)與第3 節(jié)車廂火災(zāi)的能見度指標(biāo)時間差別不大；由此可說明，車廂中部火災(zāi)比車廂端部火災(zāi)的危險性更大。（2）溫度分析

表4 車廂內(nèi)能見度指標(biāo)時間對照表

車廂內(nèi)平均溫度變化如圖11 所示。

圖11 不同火源位置溫度變化曲線

由圖11 可知，前100 s 為火災(zāi)發(fā)展初期，車廂溫度升高緩慢；100 s ～300 s 時段內(nèi)車廂內(nèi)溫度上升明顯；300 s 之后，溫度保持動態(tài)平衡。車廂中部發(fā)生火災(zāi)時，車廂內(nèi)溫度升高更快，車廂內(nèi)穩(wěn)定溫度更高。這是由于車廂中部火災(zāi)高溫?zé)煔獾穆勇窂奖溶噹瞬炕馂?zāi)的路徑要少，損失的熱量更少，導(dǎo)致車廂內(nèi)平均溫度升溫更快。

通過觀察不同位置火災(zāi)的溫度到達(dá)人體不可接受溫度（60℃及以上）的時間，得到各火源類型的溫度指標(biāo)時間，見表5。

表5 不同火源位置的溫度指標(biāo)時間對照表

由表5 可知，第2 節(jié)車廂火災(zāi)的溫度指標(biāo)時間比第1 節(jié)車廂火災(zāi)的溫度指標(biāo)時間短8 s，比第3 節(jié)車廂火災(zāi)的溫度指標(biāo)時間短24 s，車廂中部火災(zāi)的危險性更高；

（3）煙氣層高度分析

各火災(zāi)煙霧探測器測點(diǎn)的平均煙氣層高度隨時間變化的情況如圖12 所示。

圖12 不同火源位置溫度變化曲線

由圖12 可知，火源位置不同會導(dǎo)致火災(zāi)煙氣蔓延特性有所不同。當(dāng)火源在第2 節(jié)車廂中部時，火災(zāi)煙氣從列車中部蔓延至兩端的時間比車廂端部蔓延至全局的時間短。各火源位置的煙氣層高度指標(biāo)時間見表6，可知第2 節(jié)車廂火災(zāi)的煙氣層高度指標(biāo)時間比其它位置車廂火災(zāi)的煙氣層高度指標(biāo)時間更短。

表6 不同火源位置的煙氣層高度指標(biāo)時間對照表

不同火源位置火災(zāi)的可用安全疏散時間見表7，可知第2 節(jié)車廂火災(zāi)的可用安全疏散時間遠(yuǎn)小于第1節(jié)車廂和第3 節(jié)車廂火災(zāi)。由此可得出結(jié)論，車廂中部火災(zāi)比車廂端部火災(zāi)更危險。

表7 不同火源位置的可用安全疏散時間對照表

4 結(jié)束語

建立廣州地鐵3 號線B 型車前3 節(jié)車廂全尺寸比例仿真模型，分析不同區(qū)域火災(zāi)場景下的煙氣蔓延特性，并求解不同火源位置的ASET。研究結(jié)果表明，在能見度、溫度和煙氣層高度這3 項(xiàng)指標(biāo)中，能見度指標(biāo)最短，可更為迅速地反映地鐵車廂火災(zāi)的發(fā)展情況；同時，地鐵第2 節(jié)車廂中部火災(zāi)的ASET小于其它2 種火源位置時的ASET，即車廂中部火災(zāi)的危險性高于車廂端部火災(zāi)。