覃道樅 郭兵 周健 陳小開

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

由于列車車廂空間狹長且乘客相對集中，一旦發(fā)生火災很容易造成火災事故。列車車廂內(nèi)一般有大量聚合物材料，燃燒時產(chǎn)生的煙氣含有大量的有毒氣體會對人員造成傷害。有相關(guān)研究結(jié)果表明，在火災中死于煙氣的窒息作用的死亡者占死亡總數(shù)很大一部分[1]。因此，對車廂內(nèi)煙氣運動的研究有著重大意義。

近年來，相關(guān)學者對車廂內(nèi)部火災煙氣運動的研究取得了一定的成果。盛良薇[2]通過CFD軟件模擬了列車一整節(jié)車廂在發(fā)生火災時不同工況下的煙氣擴散流動，分析了煙源位置、發(fā)煙量、送風方式、送風量以及列車門的啟閉對車廂煙氣流場的影響，并通過實驗對CFD模擬結(jié)果進行了驗證。S S LI等[3]利用FDS軟件預測了列車車廂發(fā)生火災時空氣速度矢量、溫度分布、煙氣層界面高度。余明高等[1]利用FDS軟件模擬不同排煙方式下CRH2A動車車廂煙氣流動，通過對比分析車廂內(nèi)煙氣溫度、煙氣濃度等參數(shù)的變化規(guī)律，得到車廂內(nèi)最佳的排煙方式。王盟[4]利用CFD模擬討論了車廂發(fā)生火災時不同的火源位置、火源產(chǎn)煙量、火源面積大小、空調(diào)送風口等因素對煙氣場和溫度場分布的影響，并驗證了其模擬方法的正確性。

綜上所述，目前針對車廂火災的研究大多是對單一排煙模式下的車廂煙氣流動進行研究，對于不同通風模式下的煙氣流動研究較少。因此，本文以某列車二等座車廂為研究對象，利用FDS軟件對靜止情況下不同通風工況下列車車廂內(nèi)煙氣流動進行模擬，對比分析不同通風條件工況下車廂溫度、能見度變化規(guī)律，討論火災時不同通風條件下車廂煙氣的流動。

1 數(shù)學模型

列車車廂內(nèi)火災時所產(chǎn)生的煙氣會受到密度差的影響流動與擴散，可近似視做不可壓縮氣體流動。因此煙氣流動的控制方程滿足三維非穩(wěn)態(tài)N-S方程，即列車車廂火災煙氣流動符合基本守恒方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。

(1)質(zhì)量守恒方程：

(2)動量守恒方程：

(3)能量守恒方程：

2 模型建立及通風工況

2.1 物理模型

車廂內(nèi)部尺寸約為25.8 m×3.2 m×2.4 m，內(nèi)設18排(2+3)座椅，考慮到FDS軟件的建模能力以及精確度要求，對車廂模型進行了適當?shù)暮喕熊嚭喕蟮膸缀文Ｐ腿鐖D1所示。

(a)車廂平面

2.2 火源功率及位置

列車車廂發(fā)生火災時的火源功率與車廂內(nèi)部的可燃物材料有關(guān)，我國動車組列車車廂內(nèi)的可燃物較多，主要有：座椅、旅客行李、窗簾等，其使用的主要材料為PVC(聚氯乙烯)、尼龍、羊毛、絲綢等[4]?；馂氖鹿势鸹鹪虼嬖谥艽蟮牟淮_定性。本文主要考慮座椅被點燃時的特性引火源，其座椅材料為聚氨酯，火源功率采用t2發(fā)展的非穩(wěn)態(tài)火源，最大熱釋放功率為1 MW的快速增長火源，火源大小為0.4 m×0.5 m，火源位置位于第9排3人座椅的外側(cè)座椅表面。

2.3 計算網(wǎng)格設置

網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果有重要影響，網(wǎng)格劃分的越精細，模擬結(jié)果就越精確，但同時也會增加模擬的計算量。網(wǎng)格敏感性分析表明，當網(wǎng)格尺寸處在特征火源直徑的1/4～1/16較為合適，特征火源直徑D*的計算公式如下[5]：

式中，Q為火源熱釋放速率，kW；cp為空氣的定壓比熱，取1 kJ/(kg·K)；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m；T為環(huán)境初始溫度，取293 K；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

當火源功率為1 MW時，計算可得為0.92，則對應的網(wǎng)格尺寸范圍為0.057～0.231 m，通過綜合考慮建模方便以及計算量要求，本文網(wǎng)格尺寸采用0.1 m進行計算。

2.4 初始條件及通風工況

假定車廂內(nèi)初始環(huán)境溫度為20 ℃，初始壓強為標準大氣壓(101 325 Pa)，煙氣的初始濃度為0，且車廂內(nèi)各處溫度和相對壓強相同。本文將車廂火災計算的時間設置為180 s[3]。火災模擬通風場景設置如表1。

表1 火災通風工況

3 模擬結(jié)果與分析

火災發(fā)生時，煙氣的流動常常伴隨著溫度的變化。溫度的高低直接影響著人員疏散及人體各項生理機能的運行，隨溫度升高，人體耐受時間的極限越短。參考美國NFPA130的要求[6]，火災發(fā)生時，2 m以下的溫度最大不能超過60 ℃。人員逃生過程中，影響人員疏散的另一個重要因素是能見度，能見度直接影響人員的視覺，能見度越大，人員疏散時看得越清晰，本文以10 m的能見度為參考標準。為了研究不同通風條件下的列車車廂的火災發(fā)展情況，本文采用車廂縱向截面的溫度分布及能見度分布進行觀察和分析。

3.1 溫度分布

圖2～圖4分別為不同通風條件下縱向截面的溫度分布云圖?；馂陌l(fā)生后，煙氣在煙羽效應和熱壓作用下在車廂頂部積聚并水平移動，此時車廂內(nèi)煙氣出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象且沿火源中心呈對稱分布。從圖 2可以看出，30 s時，火災煙氣已經(jīng)蔓延至車廂頂棚，車廂的整體溫度還沒有變化，僅火源正上方頂棚處溫度出現(xiàn)升高現(xiàn)象，火源上方的頂棚煙氣溫度已達到60 ℃；隨著到達頂棚的煙氣越來越多，60 s時，煙氣已經(jīng)向車廂兩端水平移動，此時煙氣層貼附在車廂頂棚，厚度較??；90 時，由于車廂兩端座椅出入口位置存在一定高度的垂直擋板，煙氣層開始聚集，煙氣層厚度逐漸增加，較少的煙氣流向車廂兩端；120 s時，煙氣蔓延至列車兩側(cè)的外門高度處并流出室外，此時的煙氣層高度進一步下降，溫度上升很快，溫度在60 ℃的分界面已下降到座椅高度位置；150 s時，煙氣層厚度已經(jīng)趨于穩(wěn)定，不再隨時間變化而變化，這是由于此時煙氣通過車廂兩端外門流出與產(chǎn)生達到了相對平衡。從圖3可以看出，當火源附近兩側(cè)外窗開啟的火災發(fā)展情況與工況1基本相同。

通過對比圖 2和圖 3分析可知，60 s以前，工況2時的煙氣層溫度比工況1時的溫度要略小，造成原因是由于火災初期煙氣產(chǎn)生相對較少，且開啟的外窗離火源較近，煙氣很快就能夠到達外窗流出室外；但隨著時間的推移，煙氣增加并水平移動，外窗的作用逐漸減小，60 s后煙氣層厚度開始增加。隨著火源的熱釋放功率增大，90 s后，工況2時火源附近上方處的溫度相比工況1時的溫度高，工況2的車廂煙氣層在溫度60℃以上的區(qū)域比工況1時的略低，造成原因是外窗的開啟有利于座椅的燃燒。

圖2 工況1車廂縱向截面(y=1.6 m)不同時刻溫度分布云圖

圖3 工況2車廂縱向截面(y=1.6 m)不同時刻溫度分布云圖

從圖 4可以看出，機械排煙的作用下，車廂溫度上升相對較慢，30 s時，車廂頂棚溫度還沒有達到60 ℃，產(chǎn)生的煙氣通過排煙口可以及時地排出到室外；60 s后，煙氣主要向車廂前側(cè)水平移動，車廂后側(cè)的煙氣大部分通過排煙口排出室外，此時，熱煙氣并不是沿火源中心對稱分布；隨著時間的推移煙氣在頂棚聚集，90 s時，煙氣蔓延到兩端座椅的頂棚位置并開始下降，此時，排煙口附近的位置出現(xiàn)了“排煙風洞”，即排煙口的排煙速度過高，導致有車廂下層的新鮮空氣也被直接吸入排煙口排出室外，此時，排煙口下方的煙氣層出現(xiàn)厚度為零，即煙氣層發(fā)生了“抽漏”現(xiàn)象。120 s時，煙氣層厚度逐漸增大，車廂前端的煙氣已經(jīng)蔓延到前端的外門處，排煙口處開始有煙氣聚集，但排煙口仍有凹陷；隨著煙氣產(chǎn)生的速率繼續(xù)增大，更多的煙氣聚集在排煙口，150 s時，煙氣層已經(jīng)完全覆蓋排煙口。180 s時煙氣溫度層厚度已經(jīng)下降到座椅高度。

圖4 工況3車廂縱向截面(y=1.6 m)不同時刻溫度分布云圖

3.2 能見度分布

圖 5～圖 7為不同通風條件下縱向截面的能見度分布云圖。工況1與工況2由于煙氣擴散基本相同，能見度分布規(guī)律也基本相同。30 s時，由于煙氣厚度還很小，車廂能見度大于10 m的高度基本還處在人員身高以上，基本不影響人員疏散；60 s時，隨著煙氣層高度的下降，能見度大于10 m的高度已經(jīng)在座椅高度左右；90 s時，能見度大于10 m已經(jīng)下降到座椅的高度，座椅高度處即約人員彎腰時的高度基本處在6 m以下，此時，對人員疏散有一定影響。120 s后，整個車廂的能見度開始降低，到150 s時，工況1與工況2時整個車廂的能見度已經(jīng)小于3 m以下。通過對比圖 5～圖 7可以看出，90 s前，由于火源功率還較小，排風口的排煙速率大于火源煙氣速率，排煙口對排煙的影響較大，可以及時的排出車廂中的煙氣，工況3情況下車廂內(nèi)能見度分布要好于工況1與工況2，90 s后，隨著火源功率的增長，排煙速率繼續(xù)增大，排煙口的作用逐漸變小，150 s時整個車廂的能見度已小于3 m，能見度分布不如工況1與工況2。

圖5 工況1車廂縱向截面(y=1.6 m)不同時刻能見度分布云圖

圖6 工況2車廂縱向截面(y=1.6 m)不同時刻能見度分布云圖

圖7 工況3車廂縱向截面(y=1.6 m)不同時刻能見度分布云圖

3.3 火源正上方溫度比較

圖 8為各工況情況下火源正上方(z=1.6 m高度)溫度比較，從圖8可以看出，100 s前，火源上方的溫度大小為工況1>工況2>工況3，且工況1與工況2溫度相差較小，但從100 s后，3種工況情況下火源上方溫度相差不明顯。

圖8 各工況火源正上方(z=1.6 m高度)溫度比較

4 結(jié)論

列車車廂火災是一種較為復雜的情況，在數(shù)值模擬過程中對其進行了大量的簡化處理。對車廂內(nèi)溫度、能見度分布以及火源上方溫度進行測量分析，可以很直觀的了解不同通風條件下車廂內(nèi)的煙氣流動及溫度分布。

(1)通過對比工況1與工況2情況下溫度與能見度分布分析可知，火災初期時，火源附近兩側(cè)外窗的開啟相比僅兩端門開啟時有利于煙氣能較早地排出，使車廂溫度上升較慢。但隨著時間的推移，車廂煙氣增加并沿車廂兩端水平移動，外窗的排煙作用逐漸減小。因此，火災初期時，火源附近外窗開啟對煙氣排出作用較大。

(2)在機械排煙的情況下，熱煙氣并不是沿火源中心對稱分布。在火災初期，火災產(chǎn)生的煙氣速率較小時，產(chǎn)生的煙氣可以通過機械排煙及時地排出到室外，車廂溫度上升較慢且有利于車廂能見度的下降。但隨著時間的推移，到了火災后期，產(chǎn)生煙氣的速率繼續(xù)增大，機械排煙的速率小于產(chǎn)煙速率時，更多的煙氣聚集在排煙口，機械排煙的作用也越來越小。

(3)比較3種工況下火源上方溫度，火災初期，機械排煙對降低火源附近溫度作用最大，其次是火源附近的外窗，僅兩端外門開啟時作用最小。由此可以得出，當火災發(fā)生后，采用機械排煙時作用最大，且應盡快開啟。