火源位置對(duì)高速列車車廂火災(zāi)煙氣蔓延影響研究

王 亮，朱 杰

(1.四川師范大學(xué)工學(xué)院,成都 610101;2.四川省公共火災(zāi)防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610101)

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路不斷發(fā)展，高速列車成為人們出行主要工具之一.高鐵車廂屬于受限空間，加之尚未配備一套完整防排煙體系，一旦發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)煙氣會(huì)在短時(shí)間內(nèi)充滿車廂，極易造成群死群傷和重大財(cái)產(chǎn)損失.現(xiàn)有新風(fēng)系統(tǒng)下，研究高速列車車廂火災(zāi)煙氣蔓延影響具重要意義.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于高速列車火災(zāi)的研究，集中于通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究車廂熱釋放速率，主要可燃物火災(zāi)學(xué)參數(shù)，但針對(duì)火源位置對(duì)車廂火災(zāi)煙氣蔓延影響研究鮮見報(bào)道.加拿大卡爾頓大學(xué)于2012年搭建了能測(cè)試整節(jié)車廂熱釋放速率裝置，測(cè)得城際列車車廂火源功率為32 MW[1].朱杰等[2-5]基于大型錐形儀，對(duì)列車主要可燃物進(jìn)行大量全尺寸試驗(yàn)，提出CRH1型列車二等車廂最大熱釋放速率為37 MW.湛瑞宇[6]分析不同邊界條件下車廂內(nèi)可燃物熱分解特性及產(chǎn)物，得到車廂可燃材料的相關(guān)火災(zāi)學(xué)參數(shù).王升[7]研究了高溫情況下車窗玻璃破裂對(duì)列車火災(zāi)的影響.

本文以CRH380D型高速列車二等車廂為研究對(duì)象，運(yùn)用FDS數(shù)值模擬，研究9個(gè)火源位置，車廂內(nèi)煙氣濃度等變化情況，分析火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律，研究火源位置變動(dòng)對(duì)車廂內(nèi)火災(zāi)煙氣遷移影響.

1 模型構(gòu)建與實(shí)施

1.1 工程概況及物理模型

本文以CRH380D為研究對(duì)象，通過大量實(shí)地調(diào)研最終確定單節(jié)車廂長(zhǎng)26.6 m，寬3.358 m，地板距車廂頂板高度為3 m，其中客艙區(qū)域地板與車廂頂板間天花板高2.3 m；車窗共9個(gè)其中逃生窗4個(gè)；車廂定員85人.車廂主視圖見圖1，F(xiàn)DS模型圖見圖2：

圖1 車廂主視圖

圖2 車廂模型圖

1.1.1 模型參數(shù)選擇

通過分析，確定該列車主要可燃物為座椅、行李，其熱釋放速率及車廂內(nèi)主要裝飾材料熱工參數(shù)，參照朱杰等[2-5]“基于全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的高速列車火源功率確定分析”.

由于未配備防排煙體系，在緊急情況下為確保乘客有足夠時(shí)間留在安全環(huán)境中，應(yīng)急通風(fēng)裝置能在30 min內(nèi)提供與正常情況下的新風(fēng)[8].其中列車新風(fēng)量、應(yīng)急通風(fēng)量分別為1 680 m3/h與1 500 m3/h[8].

1.1.2 火源及測(cè)點(diǎn)、切片布置

火源位置設(shè)置于客艙前部、中部、尾部共9個(gè)；探測(cè)器縱向以人眼特征高度1.8 m及天花板2.3 m為基準(zhǔn)均勻布置；溫度切片布置于走廊中部，詳見圖3、4：

圖3 火源位置布置

圖4 測(cè)點(diǎn)及切片布置

1.2 火源功率確定

火災(zāi)由初期增長(zhǎng)至轟然階段，熱釋放速率大體以t2指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，Heskestad[9]指出可用式(1)表示：

Q=αt2

(1)

式中,Q為火源功率(kW)；α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)(kW/s2)；t為點(diǎn)火后的時(shí)間(s).

進(jìn)過理論分析，確定增長(zhǎng)系數(shù)α取0.043，同時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)計(jì)火災(zāi)中不考慮火災(zāi)衰減階段，0～210 s采用為t2增長(zhǎng)，此后火源功率保持不變，最終確定火源功率為1 896.3 kW.數(shù)學(xué)表達(dá)式見式(2)：

(2)

1.3 邊界條件與網(wǎng)格劃分

正常情況下CRH380D型高速列車二等艙，艙內(nèi)溫度為20～28 ℃，設(shè)定初始溫度為26 ℃，環(huán)境初始?jí)毫?01.325 kPa.設(shè)定模擬時(shí)間為600 s，模擬網(wǎng)格由網(wǎng)格獨(dú)立性計(jì)算設(shè)定.

網(wǎng)格尺寸的劃分直接影響到之后模擬精度問題，經(jīng)NIST驗(yàn)證，當(dāng)量綱為一數(shù)D*/δx,在4～16時(shí)，F(xiàn)DS模擬精度較高其中，δx是名義網(wǎng)格尺寸，D*是火源特征直徑，計(jì)算見式(3),火源特征直徑與網(wǎng)格尺寸約成10倍關(guān)系[10-12].

(3)

式中，Q為火源熱釋放速率，取1 896.3 kW;ρa(bǔ)為空氣密度，取1.2 kg/m3;cp為空氣比熱容，取1 kJ/(kg·K);Ta為環(huán)境溫度取299k;g為重力加速度，取9.8 m/s2.帶入計(jì)算得出火源特征直徑約為1.24 m，以此推算出網(wǎng)格尺寸范圍為0.077 5～0.31 m.最終網(wǎng)格尺寸選取為0.1 m滿足網(wǎng)格獨(dú)立性要求.

1.4 模擬工況設(shè)置

由于火災(zāi)難以預(yù)測(cè)，為更好地達(dá)到模擬效果，在模型中走廊(意在模擬蓄意縱火)、座椅(意在模擬電器起火)、行李架(包含大量易燃紡織物)的不同位置設(shè)置共9個(gè)不同著火點(diǎn).具體工況見表1：

表1 工況設(shè)置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 車廂前部火源模擬結(jié)果

如圖5所示，為車廂前部走廊、座椅、行李架起火，車廂前、中、后部煙氣濃度變化情況與車廂內(nèi)距火源不同距離煙氣層下降至1.8 m時(shí)間：

圖5 車廂前部火災(zāi)，車廂內(nèi)煙氣濃度變化情況與煙氣層下降至1.8 m時(shí)間

結(jié)果顯示，車廂前部起火，從煙氣濃度看，300 s左右車廂內(nèi)煙氣濃度達(dá)到峰值，其中走廊火災(zāi)較座椅與行李架火災(zāi)煙氣濃度峰值更高，差值接近40%；從煙氣層下降速度看，前部出口位置煙氣層高度平均在60 s內(nèi)下降至1.8 m，尾部出口煙氣層高度平均在100 s內(nèi)下降至1.8 m處，其中走廊與座椅火災(zāi)明顯更快，火災(zāi)危險(xiǎn)性更大.

導(dǎo)致原因可能是走廊起火，可同時(shí)向走廊兩側(cè)座椅蔓延，座椅再引燃行李架，蔓延方向更開放，短時(shí)間內(nèi)引燃的可燃物更多，后續(xù)針對(duì)列車火災(zāi)防控可重點(diǎn)關(guān)注.

2.2 車廂中部火源模擬結(jié)果：

中部火源的位置可起到一個(gè)很好參考作用，對(duì)比車廂火災(zāi)前后半差異，如圖6所示為車廂中部走廊、座椅、行李架起火，距火源不同距離下，車廂內(nèi)溫度變化情況與距火源不同距離煙氣層下降至1.8 m時(shí)間：

圖6 車廂中火災(zāi)，車廂內(nèi)煙氣濃度變化情況與距火源不同距離煙氣層下降至1.8 m時(shí)間

結(jié)果顯示，車廂中部起火，從溫度上看，平均150 s內(nèi)，車廂內(nèi)1.8 m處煙氣溫度便達(dá)到60 ℃，其中走廊與座椅火災(zāi)車廂內(nèi)溫度增長(zhǎng)速度更快，行李架火災(zāi)增長(zhǎng)階段時(shí)間最長(zhǎng)550 s左右依舊處于增長(zhǎng)階段；從煙氣層下降速度看，前部出口位置煙氣層高度平均在110 s內(nèi)下降至1.8 m，尾部出口煙氣層高度平均在140 s內(nèi)下降至1.8 m處，可發(fā)現(xiàn)走廊與座椅火災(zāi)煙氣層下降速度更快，火災(zāi)危險(xiǎn)性更大.

導(dǎo)致原因可能為，走廊與座椅火災(zāi)，從空間上看大體為自下而上，向四周蔓延，可在更短時(shí)間內(nèi)將更多可燃物引燃，對(duì)比行李架火災(zāi)，自上而下，不利于溫度傳導(dǎo)，從而有行李架火災(zāi)增長(zhǎng)階段時(shí)間更長(zhǎng)的結(jié)果；對(duì)于煙氣層下降速度，由于尾部設(shè)置排煙口，尾部煙氣聚集得到一定改善，下降速度較慢，前部無排煙口，煙氣聚集較嚴(yán)重，煙氣層下降速度較快.

2.3 車廂尾部火災(zāi)模擬結(jié)果

如圖5所示為車廂尾部走廊、座椅、行李架起火，車廂前、中、后部溫?zé)煔鉂舛茸兓闆r與距火源不同距離煙氣層下降至1.8 m時(shí)間：

結(jié)果顯示，車廂尾部起火，從煙氣濃度增長(zhǎng)看，行李架火災(zāi)車廂內(nèi)煙氣濃度達(dá)到峰值時(shí)間較走廊與座椅火災(zāi)快接近100 s；從煙氣層下降速度看，走廊與座椅火災(zāi)，90 s內(nèi)車廂尾部出口煙氣層便下降至1.8 m，明顯快于行李架火災(zāi)，車廂前部出口煙氣層高度平均在150 s內(nèi)下降至1.8 m，可發(fā)現(xiàn)走廊與座椅火災(zāi)危險(xiǎn)性更大.

導(dǎo)致原因可能是行李的材料易燃且蔓延速度快，行李架為敞放式無隔板結(jié)構(gòu)，行李架火災(zāi)煙氣與火焰羽流距離較近，煙氣溫度較高，可長(zhǎng)時(shí)間滯留在空中，從而有行李架火災(zāi)車廂內(nèi)煙氣弄度上升速度快，但煙氣層下降速度低的結(jié)果.

3 結(jié)束語

通過理論分析結(jié)合實(shí)地調(diào)研CRH380D型高速列車二等車廂幾何尺寸，主要熱工參數(shù)，運(yùn)用數(shù)值模擬，研究列車九個(gè)火源位置下，車廂內(nèi)煙氣溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)，分析火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律得處以下結(jié)論：

圖7 車廂中火災(zāi)，車廂內(nèi)煙氣濃度變化情況與距火源不同距離煙氣層下降至1.8 m時(shí)間

1)車廂前部火災(zāi)，從煙氣濃度看，走廊火災(zāi)車廂內(nèi)煙氣濃度峰值最高；從煙氣層下降速度看，100 s內(nèi)前部與尾部出口煙氣層高度均下降至1.8 m處，其中走廊與座椅火災(zāi)煙氣層下降速度更快，火災(zāi)危險(xiǎn)性更大.

2)車廂中部火災(zāi)，從溫度增長(zhǎng)上看，走廊與座椅火災(zāi)，車廂內(nèi)溫度增長(zhǎng)速度較快；從煙氣層下降速度看，140 s內(nèi)前部與尾部出口煙氣層高度均下降至1.8 m處，其中走廊與座椅火災(zāi)煙氣層下降速度更快，火災(zāi)危險(xiǎn)性更大.

3)車廂尾部火災(zāi)，從煙氣濃度增長(zhǎng)看，行李架火災(zāi)車廂內(nèi)煙氣濃度上升速度最快；從煙氣層下降速度看，150 s內(nèi)前部與尾部出口煙氣層高度均下降至1.8 m處，其中走廊與座椅火災(zāi)煙氣層下降速度更快，火災(zāi)危險(xiǎn)性更大.