馬紀(jì)軍，安超，張麗榮

(中國北車集團(tuán) 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035)

0 引言

鐵路旅客列車是目前最適合我國國情的重要交通工具.但是由于車廂人員密度大，活動空間小，列車處于高速運(yùn)動狀態(tài)，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢發(fā)展迅速，燃燒蔓延快，火災(zāi)引發(fā)的煙氣在車廂內(nèi)會迅速地蔓延，并在短時間內(nèi)充滿整個車廂，會造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失［1］.

目前國內(nèi)對列車火災(zāi)的研究主要集中在煙氣分布.1999年中國礦大的杜紅兵等采用實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)定量測試了模擬運(yùn)行列車車廂內(nèi)溫度場的分布，定性考察了火災(zāi)時煙氣的流動和蔓延特性.隨著FDS方法中的大渦數(shù)值模擬在火災(zāi)中的廣泛運(yùn)用，許多學(xué)者將大渦模擬運(yùn)用于列車火災(zāi)的研究中.重慶大學(xué)劉采峰等運(yùn)用大渦模擬對列車車廂內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.

由于列車的特殊結(jié)構(gòu)，支持燃燒所需要的氧氣必須通過窗口進(jìn)入車廂內(nèi)，受到通風(fēng)面積限制，列車燃燒功率是有限的.本文采用大渦模擬軟件FDS，建立列車某車廂全尺寸模擬，進(jìn)行不同火源功率的列車火災(zāi)模擬研究，探究列車的最大火災(zāi)功率以及不同火源功率對列車火災(zāi)的影響.

1 FDS簡介

1.1 FDS軟件應(yīng)用簡介

FDS是美國NIST(National Institute of Standards and Technology)開發(fā)的一款用于分析工業(yè)尺度火災(zāi)的模擬軟件.FDS采用了大渦模擬方法，可以得到真實(shí)的瞬態(tài)流場且精度較高，而且計(jì)算工作量小.應(yīng)用FDS對列車進(jìn)行火災(zāi)模擬可以得到很詳細(xì)的溫度、煙氣及各組分氣體的分布信息，可以對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理.目前FDS已經(jīng)解決了大量消防工程中的火災(zāi)問題［2］.

FDS作為開源的、專業(yè)的火災(zāi)模擬軟件，在列車火災(zāi)模擬中前人做了大量的研究工作，事實(shí)證明其在列車火災(zāi)模擬中具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)還原能力［3］.

1.2 FDS 原理

FDS是將模擬空間劃分成許多方形單元，以方形單元為基本單位.模擬計(jì)算的精度主要與方形單元的數(shù)量和大小有關(guān)，而方形單元的數(shù)量又主要受計(jì)算機(jī)能力的限制.與其它場景模擬軟件一樣，F(xiàn)DS也是以N－S偏微分方程為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值求解，給出較詳細(xì)的各種物理量(溫度、壓力、速度、密度、熱釋放速率、煙霧組分等)的分布.其控制方程如下:

質(zhì)量守恒方程:

動量守恒方程:

能量守恒方程:

組分守恒方程:

式中，ρ為密度;t為時間(s);u為速度(m/s);p，g為重力加速度(m/s2);f為外力(包括重力)(kg/s2/m);τ為粘性力(kg/s2/m);h為熱焓(kJ)；為每單位體積熱釋放速率(kW/m3);qr為輻射熱通量(kW/m2);k為導(dǎo)熱系數(shù)(W/m/K);T為溫度(K);Yl為l組份質(zhì)量分?jǐn)?shù);D為擴(kuò)散系數(shù)(m2/s);l為每單位體積 l組份生成率(kg/s/m3)［4］.

2 FDS建模

2.1 網(wǎng)格劃分

選取列車中的一輛中間車作為仿真計(jì)算模型.計(jì)算區(qū)域除了包括列車車廂，還要適量的包括一些外流場.在理想狀態(tài)下，外流場應(yīng)該是一個無限大的區(qū)域，但是這樣會導(dǎo)致計(jì)算量太大，因此只能設(shè)置一個較小的外流場代替，這種近似對計(jì)算的結(jié)果有一定的影響.考慮到計(jì)算量和計(jì)算速度，將計(jì)算外流場確定為車頂上方計(jì)算區(qū)域多出0.75 m，左右兩邊分別多出0.6 m.該外流場對計(jì)算誤差影響已經(jīng)很小，計(jì)算速度也可以接受.因此模型的計(jì)算區(qū)域?yàn)?(－12.3，12.3，1.022，4.622，－2.25，2.25).

根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件條件，將網(wǎng)格劃分為12個計(jì)算區(qū)域.網(wǎng)格劃分具體見表1.

Y方向?yàn)橹亓Ψ较颍琺inY=1.022 m，maxZ=4.622 m，cell=24;Z 方向?yàn)閷挾确较?，minZ=－2.25 m，maxZ=2.25 m，cell=30.總網(wǎng)格單元為118 080個.

計(jì)算區(qū)域的邊界設(shè)置為開口，模擬開放的外部環(huán)境條件.

表1 網(wǎng)格劃分

2.2 車廂建模

模型車箱殼體主要使用的材料為鋁合金車體和玻璃窗，車內(nèi)中部為單層臥鋪包間布置.將車廂內(nèi)所有可燃物的燃燒熱釋放集中在火源上，因此車廂內(nèi)的裝飾物都設(shè)置為不可燃燒，火源設(shè)置在車箱中部，總火源面積為15 m2，模擬時間均為900 s，為火災(zāi)時列車以40 km/h速度運(yùn)行15 min的時間.根據(jù)車廂實(shí)際尺寸建立模型如圖1，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.

圖1 車廂模型

測點(diǎn)布置于包廂走廊中間和包廂中間，人的特征高度為2 m，因此設(shè)置測點(diǎn)離地板高度為2 m.走廊上的測點(diǎn)都位于每扇窗子的中間面上.切片布置于逃生窗的中間面，車廂寬度方向中間面和走廊中間面.在高度方向上切片在窗的中間位置和離地板2 m的面上.

3 模擬場景設(shè)置

火源設(shè)置可燃物為丙烷，火源功率設(shè)置為四種，分別是 10、15、20、25 MW.為了得到列車火災(zāi)時實(shí)際最大火源功率，將通風(fēng)面積設(shè)置為最大，因此在設(shè)置所有玻璃窗都在60 s后開啟.考慮到列車發(fā)生火災(zāi)時會采取緊急制動措施，最后將減速運(yùn)行，參考DIN5510-4的要求，火災(zāi)時列車將以40 km/h速度運(yùn)行15 min的行車能力，故模擬計(jì)算時間設(shè)為900 s.

模擬中所有火源熱釋放曲線都設(shè)置為t2，為快速火 a=0.046 89［5-6］.

式中，Q為火災(zāi)熱釋放速率(kW);t為時間(s);a為常數(shù)，與火災(zāi)增長類型有關(guān).

具體場景設(shè)置如表2:

表2 火災(zāi)場景設(shè)置

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 火源功率分析

圖3 設(shè)計(jì)功率15 MW時可燃物釋放速率曲線

圖4 實(shí)際火源功率時間曲線圖

圖3是設(shè)置火源功率為15 MW是的可燃物釋放曲線，釋放曲線嚴(yán)格服從t2，在565.6 s時達(dá)到最大，然后一直持續(xù)該釋放速率直到模擬結(jié)束.圖4是在不同的設(shè)計(jì)火源功率下實(shí)際火源功率時間曲線圖，在火災(zāi)開始的前400 s，實(shí)際火災(zāi)熱釋放曲線與可燃燒釋放曲線相一致，火源功率波動小.400 s以后火源功率有較大波動，當(dāng)設(shè)計(jì)火源功率為10、15、20 MW時，實(shí)際火源功率波動范圍都是在其設(shè)計(jì)最大火源功率周圍;當(dāng)設(shè)計(jì)火源功率為25 MW時，實(shí)際火源功率波動范圍與設(shè)計(jì)火源功率為20 MW的波動范圍基本相同.這表明列車在以40 km/h運(yùn)行時，所有車窗全部打開，列車所能達(dá)到的最大火源功率為20 MW，再增加可燃物量，列車單位時間內(nèi)的熱釋放速率不會增加.

4.2 溫度分析

火源功率增加對列車火災(zāi)的最高溫度影響不大，但是對溫度分布有一定的影響，圖5是離列車地板2 m處的面在900 s時的溫度切片，圖中各火源功率下的最高溫度都可以達(dá)到1 000℃，當(dāng)設(shè)計(jì)火源功率為10、15、20 MW時最高溫度分布在走廊上，而當(dāng)火源功率為25 MW時最高溫度在車廂外面.溫度分布與該處的燃燒情況有關(guān)，而燃燒情況又與氧氣分布有關(guān).當(dāng)火源設(shè)計(jì)功率為10、15、20 MW時，實(shí)際功率可以達(dá)到設(shè)計(jì)火源功率，這就表明此時的燃燒屬于燃料控制燃燒，車廂內(nèi)的氧氣是充足的，而走廊旁邊就是窗口，氧氣是通過窗口進(jìn)入車廂的，所有燃燒時的高溫區(qū)分布在走廊側(cè).當(dāng)火源設(shè)計(jì)功率為25 MW時實(shí)際火源功率只有20 MW左右，此時的燃燒是氧氣控制燃燒，燃燒過程中產(chǎn)生的大量可燃?xì)怏w在車廂內(nèi)沒有足夠的氧氣支持燃燒，因此逸出車廂后在足夠氧氣支持下又開始燃燒，所以在列車車廂外壁出現(xiàn)了大面積高溫區(qū).

圖5 不同火源功率在900 s時的溫度切片

圖6是走廊一端離地面2 m處測得的溫度曲線，不同火源功率時曲線在前500 s變化基本相同，火災(zāi)穩(wěn)定以后，溫度波動幅度較大.10 MW對應(yīng)的溫度略微高于其它場景，但整體上每條溫度曲線差別并不明顯.這說明火源功率不同，對車廂內(nèi)平均溫度影響并不明顯，車廂內(nèi)溫度在600℃左右.

圖6 不同火源功率時溫度時間曲線

4.3 煙氣濃度分析

由于一節(jié)車廂體積較小，因此各處煙氣分布沒有明顯的差別，以走廊一端離地面2 m處測得的煙氣濃度曲線代表車廂內(nèi)各處的煙氣分布情況(如圖7).不同火源功率時曲線在前500 s變化基本相同，火災(zāi)穩(wěn)定以后，10 MW對應(yīng)的濃度略微高于其他場景，20 MW對應(yīng)的濃度略低于其他場景，但整體上濃度波動幅度較大，各條曲線差異并不明顯.這說明火源功率不同對車廂內(nèi)平均煙氣濃度影響并不明顯，車廂內(nèi)煙氣濃度大約為0.001 2 mol/mol.

圖7 不同火源功率時煙氣濃度時間曲線

5 結(jié)論

通過對臥鋪車廂10、15、20、25 MW四種火源功率的大渦模擬，分析了不同設(shè)計(jì)火源功率下得實(shí)際火源功率和不同火源功率對列車內(nèi)溫度和煙氣分布的影響，得到以下結(jié)論:

(1)當(dāng)列車運(yùn)行速度為40 km/h時，在最大通風(fēng)面積下，火災(zāi)過程中最大熱釋放速率為20 MW;

(2)列車火災(zāi)的最高溫可以達(dá)到1 000℃，當(dāng)列車內(nèi)可燃物過多時，為氧氣控制燃燒，大量可燃?xì)怏w在車廂外燃燒，使得車廂外表面溫度過高，因此還要考慮列車外表面的隔熱性能;

(3)不同火源功率對列車內(nèi)的平均溫度和平均煙氣濃度影響不大.

［1］劉采峰，彭嵐，劉朝.列車車廂內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動的數(shù)值模擬研究［J］.熱科學(xué)與技術(shù)，2003，2(4):353-357.

［2］KEVIN MCGRATTAN.Fire Dynamics Simulator(Version 5)User's Guide［M］.NIST Special Publication，2001:1-186.

［3］LIU YUNLONG，VIVEK APTEpte，NATHAN WHITE，et al.Water mist fire suppression of a train fire［C］.Fire Safety-Sea Road Rail Conference，Melbourne，Australia，2005.

［4］KEVIN MCGRATTAN.Fire Dynamics Simulator(Version 5)Technical Reference Guide［M］.NIST Special Publication，2001:1-3，15-16.

［5］張會冰.不同壁面邊界條件對隧道火災(zāi)模擬結(jié)果的影響［D］.成都:西南交通大學(xué)，2007.

［6］李紹平.成都動車存車場火災(zāi)危險(xiǎn)性數(shù)值模擬分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2010.