火源位置对高速列车车厢火灾烟气蔓延影响研究

王 亮，朱 杰

(1.四川师范大学工学院,成都 610101;2.四川省公共火灾防治技术重点实验室,成都 610101)

随着我国高速铁路不断发展，高速列车成为人们出行主要工具之一.高铁车厢属于受限空间，加之尚未配备一套完整防排烟体系，一旦发生火灾，火灾烟气会在短时间内充满车厢，极易造成群死群伤和重大财产损失.现有新风系统下，研究高速列车车厢火灾烟气蔓延影响具重要意义.

国内外学者关于高速列车火灾的研究，集中于通过试验与数值模拟研究车厢热释放速率，主要可燃物火灾学参数，但针对火源位置对车厢火灾烟气蔓延影响研究鲜见报道.加拿大卡尔顿大学于2012年搭建了能测试整节车厢热释放速率装置，测得城际列车车厢火源功率为32 MW[1].朱杰等[2-5]基于大型锥形仪，对列车主要可燃物进行大量全尺寸试验，提出CRH1型列车二等车厢最大热释放速率为37 MW.湛瑞宇[6]分析不同边界条件下车厢内可燃物热分解特性及产物，得到车厢可燃材料的相关火灾学参数.王升[7]研究了高温情况下车窗玻璃破裂对列车火灾的影响.

本文以CRH380D型高速列车二等车厢为研究对象，运用FDS数值模拟，研究9个火源位置，车厢内烟气浓度等变化情况，分析火灾烟气蔓延规律，研究火源位置变动对车厢内火灾烟气迁移影响.

1.1 工程概况及物理模型

本文以CRH380D为研究对象，通过大量实地调研最终确定单节车厢长26.6 m，宽3.358 m，地板距车厢顶板高度为3 m，其中客舱区域地板与车厢顶板间天花板高2.3 m；
车窗共9个其中逃生窗4个；
车厢定员85人.车厢主视图见图1，FDS模型图见图2：

图1 车厢主视图

图2 车厢模型图

1.1.1 模型参数选择

通过分析，确定该列车主要可燃物为座椅、行李，其热释放速率及车厢内主要装饰材料热工参数，参照朱杰等[2-5]“基于全尺寸火灾实验的高速列车火源功率确定分析”.

由于未配备防排烟体系，在紧急情况下为确保乘客有足够时间留在安全环境中，应急通风装置能在30 min内提供与正常情况下的新风[8].其中列车新风量、应急通风量分别为1 680 m3/h与1 500 m3/h[8].

1.1.2 火源及测点、切片布置

火源位置设置于客舱前部、中部、尾部共9个；
探测器纵向以人眼特征高度1.8 m及天花板2.3 m为基准均匀布置；
温度切片布置于走廊中部，详见图3、4：

图3 火源位置布置

图4 测点及切片布置

1.2 火源功率确定

火灾由初期增长至轰然阶段，热释放速率大体以t2指数规律增长，Heskestad[9]指出可用式(1)表示：

Q=αt2

(1)

式中,Q为火源功率(kW)；
α为火灾增长系数(kW/s2)；
t为点火后的时间(s).

进过理论分析，确定增长系数α取0.043，同时实验模拟设计火灾中不考虑火灾衰减阶段，0～210 s采用为t2增长，此后火源功率保持不变，最终确定火源功率为1 896.3 kW.数学表达式见式(2)：

(2)

1.3 边界条件与网格划分

正常情况下CRH380D型高速列车二等舱，舱内温度为20～28 ℃，设定初始温度为26 ℃，环境初始压力为101.325 kPa.设定模拟时间为600 s，模拟网格由网格独立性计算设定.

网格尺寸的划分直接影响到之后模拟精度问题，经NIST验证，当量纲为一数D*/δx,在4～16时，FDS模拟精度较高其中，δx是名义网格尺寸，D*是火源特征直径，计算见式(3),火源特征直径与网格尺寸约成10倍关系[10-12].

(3)

式中，Q为火源热释放速率，取1 896.3 kW;ρa为空气密度，取1.2 kg/m3;cp为空气比热容，取1 kJ/(kg·K);Ta为环境温度取299k;g为重力加速度，取9.8 m/s2.带入计算得出火源特征直径约为1.24 m，以此推算出网格尺寸范围为0.077 5～0.31 m.最终网格尺寸选取为0.1 m满足网格独立性要求.

1.4 模拟工况设置

由于火灾难以预测，为更好地达到模拟效果，在模型中走廊(意在模拟蓄意纵火)、座椅(意在模拟电器起火)、行李架(包含大量易燃纺织物)的不同位置设置共9个不同着火点.具体工况见表1：

表1 工况设置

2.1 车厢前部火源模拟结果

如图5所示，为车厢前部走廊、座椅、行李架起火，车厢前、中、后部烟气浓度变化情况与车厢内距火源不同距离烟气层下降至1.8 m时间：

图5 车厢前部火灾，车厢内烟气浓度变化情况与烟气层下降至1.8 m时间

结果显示，车厢前部起火，从烟气浓度看，300 s左右车厢内烟气浓度达到峰值，其中走廊火灾较座椅与行李架火灾烟气浓度峰值更高，差值接近40%；
从烟气层下降速度看，前部出口位置烟气层高度平均在60 s内下降至1.8 m，尾部出口烟气层高度平均在100 s内下降至1.8 m处，其中走廊与座椅火灾明显更快，火灾危险性更大.

导致原因可能是走廊起火，可同时向走廊两侧座椅蔓延，座椅再引燃行李架，蔓延方向更开放，短时间内引燃的可燃物更多，后续针对列车火灾防控可重点关注.

2.2 车厢中部火源模拟结果：

中部火源的位置可起到一个很好参考作用，对比车厢火灾前后半差异，如图6所示为车厢中部走廊、座椅、行李架起火，距火源不同距离下，车厢内温度变化情况与距火源不同距离烟气层下降至1.8 m时间：

图6 车厢中火灾，车厢内烟气浓度变化情况与距火源不同距离烟气层下降至1.8 m时间

结果显示，车厢中部起火，从温度上看，平均150 s内，车厢内1.8 m处烟气温度便达到60 ℃，其中走廊与座椅火灾车厢内温度增长速度更快，行李架火灾增长阶段时间最长550 s左右依旧处于增长阶段；
从烟气层下降速度看，前部出口位置烟气层高度平均在110 s内下降至1.8 m，尾部出口烟气层高度平均在140 s内下降至1.8 m处，可发现走廊与座椅火灾烟气层下降速度更快，火灾危险性更大.

导致原因可能为，走廊与座椅火灾，从空间上看大体为自下而上，向四周蔓延，可在更短时间内将更多可燃物引燃，对比行李架火灾，自上而下，不利于温度传导，从而有行李架火灾增长阶段时间更长的结果；
对于烟气层下降速度，由于尾部设置排烟口，尾部烟气聚集得到一定改善，下降速度较慢，前部无排烟口，烟气聚集较严重，烟气层下降速度较快.

2.3 车厢尾部火灾模拟结果

如图5所示为车厢尾部走廊、座椅、行李架起火，车厢前、中、后部温烟气浓度变化情况与距火源不同距离烟气层下降至1.8 m时间：

结果显示，车厢尾部起火，从烟气浓度增长看，行李架火灾车厢内烟气浓度达到峰值时间较走廊与座椅火灾快接近100 s；
从烟气层下降速度看，走廊与座椅火灾，90 s内车厢尾部出口烟气层便下降至1.8 m，明显快于行李架火灾，车厢前部出口烟气层高度平均在150 s内下降至1.8 m，可发现走廊与座椅火灾危险性更大.

导致原因可能是行李的材料易燃且蔓延速度快，行李架为敞放式无隔板结构，行李架火灾烟气与火焰羽流距离较近，烟气温度较高，可长时间滞留在空中，从而有行李架火灾车厢内烟气弄度上升速度快，但烟气层下降速度低的结果.

通过理论分析结合实地调研CRH380D型高速列车二等车厢几何尺寸，主要热工参数，运用数值模拟，研究列车九个火源位置下，车厢内烟气温度场、浓度场，分析火灾烟气蔓延规律得处以下结论：

图7 车厢中火灾，车厢内烟气浓度变化情况与距火源不同距离烟气层下降至1.8 m时间

1)车厢前部火灾，从烟气浓度看，走廊火灾车厢内烟气浓度峰值最高；
从烟气层下降速度看，100 s内前部与尾部出口烟气层高度均下降至1.8 m处，其中走廊与座椅火灾烟气层下降速度更快，火灾危险性更大.

2)车厢中部火灾，从温度增长上看，走廊与座椅火灾，车厢内温度增长速度较快；
从烟气层下降速度看，140 s内前部与尾部出口烟气层高度均下降至1.8 m处，其中走廊与座椅火灾烟气层下降速度更快，火灾危险性更大.

3)车厢尾部火灾，从烟气浓度增长看，行李架火灾车厢内烟气浓度上升速度最快；
从烟气层下降速度看，150 s内前部与尾部出口烟气层高度均下降至1.8 m处，其中走廊与座椅火灾烟气层下降速度更快，火灾危险性更大.

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