李冬，蘇燕辰，田鑫，席亞軍

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031)

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B型地鐵列車火災(zāi)安全疏散性能研究

李冬，蘇燕辰，田鑫，席亞軍

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031)

針對(duì)地鐵列車火災(zāi)情況下的人員安全疏散，利用Pyrosim軟件對(duì)地鐵車輛進(jìn)行火災(zāi)模擬，由得到的火災(zāi)參數(shù)來確定列車可提供的安全疏散時(shí)間(ASET)。然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地鐵火災(zāi)疏散演練并結(jié)合Pathfinder軟件對(duì)人員疏散進(jìn)行仿真計(jì)算，確定人員實(shí)際疏散耗時(shí)(RSET)。最后通過對(duì)得到的2個(gè)時(shí)間進(jìn)行分析，證明了B型地鐵列車具有良好的安全疏散性能。

地鐵火災(zāi)；人員疏散；火災(zāi)動(dòng)力學(xué)；Pathfinder; Pyrosim

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，城市化明顯加快，城市軌道交通正處于空前高速建設(shè)發(fā)展時(shí)期。由于地鐵內(nèi)部空間封閉、人員密集、逃生條件差，一旦發(fā)生火災(zāi)，疏散及其困難，極易造成群死群傷事故，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此開展地鐵列車火災(zāi)條件下人員安全疏散的研究具有重要的意義。本文采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。首先，利用Pyrosim軟件建立典型B型地鐵車輛的整車模型，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，獲得列車燃燒后的溫度、CO濃度和能見度的變化情況，由此定量分析火災(zāi)時(shí)地鐵車廂到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間，確定列車可提供的疏散時(shí)間。然后，從實(shí)際出發(fā)，開展地鐵火災(zāi)應(yīng)急疏散演練，并結(jié)合Pathfinder軟件對(duì)不同火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行人員疏散仿真計(jì)算，通過模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，確定地鐵內(nèi)人員實(shí)際安全疏散時(shí)間。最后，根據(jù)列車可提供的疏散時(shí)間和人員實(shí)際疏散耗時(shí)之間的關(guān)系來評(píng)價(jià)地鐵車輛的火災(zāi)安全性能。

1　地鐵列車火災(zāi)數(shù)值模擬

1.1Pyrosim軟件簡(jiǎn)介及模型建立

Pyrosim是一款由美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)研發(fā)的專門用于火災(zāi)動(dòng)態(tài)仿真模擬(FDS)的軟件。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)的Navier-Stokes方程(黏性流體方程)，重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)中的煙氣流動(dòng)和熱傳遞過程。Pyrosim最大的特點(diǎn)是提供了三維圖形化前處理功能，可視化編輯的效果，里面包括建模、邊界條件設(shè)置、火源設(shè)置、燃燒材料設(shè)置等，因此在火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)典型B型地鐵車輛實(shí)際尺寸的大小，在Pyrosim中建立仿真模型，各種材料所需幾何參數(shù)和熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)由車輛制造廠家提供和實(shí)驗(yàn)測(cè)得。并將其作為參數(shù)輸入到軟件中，仿真模型如圖1所示。

圖1　列車三維圖Fig.1 Three dimensional diagram of the train

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和研究，火災(zāi)從開始至充分燃燒，火源熱釋放速率大致與時(shí)間的平方成正比。因此將火災(zāi)場(chǎng)景的火源功率設(shè)定為t2速度增長，火源單位面積熱釋放速率設(shè)為2 500 kW/m2,火源面積為0.09 m2。 由于要測(cè)定地鐵車輛火災(zāi)發(fā)生后的溫度、能見度和CO濃度的變化情況，在車廂內(nèi)部合適位置設(shè)置對(duì)應(yīng)傳感器、slice面等一系列測(cè)量設(shè)備。

1.2危險(xiǎn)臨界條件的確定

在火災(zāi)工程學(xué)中，對(duì)人員疏散的要求是：當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到對(duì)人身體安全構(gòu)成危險(xiǎn)時(shí)刻之前將人員疏散至安全場(chǎng)所，即判斷人員必需的安全疏散時(shí)間RSET是否小于火場(chǎng)可用安全疏散的時(shí)間ASET。如果RSET

從列車火災(zāi)發(fā)生到火災(zāi)發(fā)展到對(duì)車內(nèi)人員構(gòu)成危險(xiǎn)所需要的時(shí)間可由可燃物被點(diǎn)燃、火災(zāi)被探測(cè)到和火災(zāi)發(fā)展到如下條件的時(shí)間構(gòu)成：

1)人體直接接觸到的煙氣溫度超過60 ℃，本文根據(jù)人頭部的特征高度，選取在1.7 m高度處溫度超過60 ℃；

2)有害燃燒物的臨界濃度達(dá)到對(duì)人體構(gòu)成傷害的危險(xiǎn)濃度，本文采用在1.7 m處CO濃度不超過250 mm/km；

3)減光度達(dá)到影響人員運(yùn)動(dòng)速度的極限值，本文采用在1.7 m高度處能見度低于10 m。

火災(zāi)發(fā)展過程中，如果列車內(nèi)的環(huán)境達(dá)到上述任一條件，則認(rèn)為人員在這樣的環(huán)境中疏散是危險(xiǎn)的。從而可以確定，從火災(zāi)最先發(fā)展到上述條件之一的時(shí)刻就是列車可提供的疏散時(shí)間。

1.3列車可提供的疏散時(shí)間

運(yùn)用Pyrosim對(duì)地鐵車輛火災(zāi)進(jìn)行模擬仿真，計(jì)算火災(zāi)發(fā)展過程中各參數(shù)的變化情況，根據(jù)上述的危險(xiǎn)臨界條件，確定列車可提供的安全疏散時(shí)間。根據(jù)車廂內(nèi)部設(shè)置的相應(yīng)測(cè)點(diǎn)，得到以下列車火災(zāi)時(shí)車廂內(nèi)部溫度、CO濃度和能見度的變化情況截圖，見圖2～4。圖2溫度變化切片截圖中，黑色表示溫度達(dá)到60℃的區(qū)域，即處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

表1　火災(zāi)情況下車廂到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間

圖2　車廂內(nèi)1.7 m高度處溫度情況Fig.2 Temperature of the car at 1.7 m height

圖3　車廂端部1.7 m高度處CO濃度變化Fig.3 CO concentration changes of the car at 1.7 m height

圖4　車廂內(nèi)1.7 m高度處能見度變化Fig.4 Visibility variation of the car at 1.7 m height

表1為車廂內(nèi)各個(gè)危險(xiǎn)臨界條件到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間，其中車廂內(nèi)溫度最先超過人體承受極限。“——”表示在模擬時(shí)間內(nèi)沒有到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)，即CO濃度始終在安全范圍內(nèi)。根據(jù)模擬結(jié)果，人員在175 s內(nèi)逃生是安全的，即列車可提供的疏散時(shí)間為175 s。

2　地鐵車應(yīng)急疏散演練與疏散仿真

人員所需的安全疏散時(shí)間REST是指從起火時(shí)刻起到人員疏散至安全區(qū)域的時(shí)間：

人員實(shí)際疏散耗時(shí)=人員響應(yīng)時(shí)間+車內(nèi)轉(zhuǎn)移時(shí)間+等待時(shí)間+疏散行走時(shí)間

這些時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)算需要從實(shí)際出發(fā)，進(jìn)而需要開展火災(zāi)疏散演練來獲得仿真參數(shù)。然后再對(duì)不同的火災(zāi)工況進(jìn)行仿真計(jì)算，最終確定人員實(shí)際疏散耗時(shí)。

2.1地鐵列車火災(zāi)應(yīng)急疏散演練

2014年9月在青島南車四方車輛廠區(qū)進(jìn)行了地鐵列車的火災(zāi)應(yīng)急疏散演練。使用地鐵列車的司機(jī)室、1號(hào)車廂、2號(hào)車廂和3號(hào)車廂，按照地鐵車輛運(yùn)行的人員比例配置，進(jìn)行火災(zāi)情況下的場(chǎng)景緊急演練。為了使演練更加逼近真實(shí)場(chǎng)景，在演練中使用無害煙霧彈，對(duì)地鐵列車火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬，研究煙霧擴(kuò)散規(guī)律和車廂內(nèi)乘客的疏散。

演練模擬車輛在隧道內(nèi)由于不可抗拒的因素緊急停車的疏散情況，為與上述Pyrosim火災(zāi)數(shù)值模擬相對(duì)照，在2號(hào)車廂中部放置煙霧彈(著火點(diǎn))。并且每列車廂分別均勻分布150人，人員分布在過道和座位上處于行走、交談等狀態(tài)。

圖5　疏散示意圖Fig.5 Evacuation schematic diagram

從模擬著火開始至車廂內(nèi)最后一名乘客轉(zhuǎn)移出車廂到達(dá)安全地帶共耗時(shí)113 s，其中具體時(shí)間見下表2。該實(shí)際實(shí)驗(yàn)中地鐵車廂內(nèi)乘客全部撤離車廂安全疏散所耗時(shí)間為113 s，可知耗時(shí)遠(yuǎn)小于燃燒實(shí)驗(yàn)所確定的安全疏散時(shí)間。

表2　現(xiàn)場(chǎng)疏散演練時(shí)間表

具體疏散場(chǎng)景狀況如圖6～8所示，從圖中可知：模擬的疏散場(chǎng)景符合真實(shí)地鐵車廂狀況，模擬煙霧導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)可見度極度下降，接近真實(shí)起火環(huán)境狀況。

圖6　開始點(diǎn)火Fig.6 Ingite

圖7　2號(hào)車廂轉(zhuǎn)移完畢Fig.7 Transfer is completed of the second carriage

圖8　車廂內(nèi)乘客完全疏散完畢Fig.8 Transfer is completed of all the arriages

2.2Pathfinder疏散仿真

Pathfinder是由美國Thunderhead engineering公司開發(fā)的一套新型的智能人員緊急疏散逃生評(píng)估系統(tǒng)。它包括SFPE和steering 2種人員運(yùn)動(dòng)模式，從而可以準(zhǔn)確確定每個(gè)個(gè)體在災(zāi)難發(fā)生時(shí)的最佳逃生路徑和逃生時(shí)間。Pathfinder可以導(dǎo)入FDS模型，兩者結(jié)合可以科學(xué)方便地獲得重要的人員疏散數(shù)據(jù)。

本文按照列車滿載狀態(tài)建模，使用演練獲得的人員肩寬、行走速度、舒適距離作為參數(shù)進(jìn)行列車人員疏散仿真，人數(shù)設(shè)置為每節(jié)車廂250人。列車在高峰時(shí)段在隧道中部運(yùn)行時(shí)，1號(hào)車廂發(fā)生火災(zāi)，車輛無法繼續(xù)運(yùn)行需要立即執(zhí)行隧道人員疏散。

圖9～10為仿真的疏散情況，具體各部分仿真時(shí)間見表3，由該仿真可知，從列車在隧道突發(fā)狀況至最終安全停車，全部乘客撤出車廂安全疏散完畢，共用時(shí)167 s。所以，仿真得出的人員實(shí)際疏散時(shí)間為167 s。

表3　仿真疏散演練時(shí)間表

圖9　列車開門后疏散情況Fig.9 Evacuation situation after opened the doors

圖10　著火車廂乘客安全疏散Fig.10 All passengers have been evacuated

3　結(jié)論

1)地鐵列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通過應(yīng)急疏散演練得到人員實(shí)際疏散耗時(shí)RSET為113 s;采用Pathfinder軟件模擬計(jì)算得到人員實(shí)際疏散耗時(shí)RSET為167 s；

2)采用Pyrosim軟件對(duì)車廂內(nèi)火災(zāi)煙氣流動(dòng)進(jìn)行模擬得到列車可提供的疏散時(shí)間ASET為175 s;

3)可得ASET>RSET，即著火車廂內(nèi)部人員能夠安全疏散至安全區(qū)域。

4)B型地鐵列車的安全出口、逃生距離等幾何參數(shù)滿足防火要求，地鐵車輛整車的防火設(shè)計(jì)和車用材料的防火性能能夠保證人員的安全疏散，具有良好的安全疏散性能。

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Research on the evacuation performance of B-typesubway train in the condition of fire disaster

LI Dong, SU Yanchen, TIA Xin, XI Yajun

(Southwest Jiaotong University, School of Mechanical Engineering, Chengdu 610031, China)

In view of the safe evacuation of subway train in the condition of fire disaster, the software Pyrosim was used to simulate the fire disaster of subway train. The available safety escape time (ASET) was determined by the fire disaster parameters obtained from the simulation. In order to determine the required safety escape time, the safety evacuation was simulated by combining the practical fire disaster evacuation drill and the software Pathfinder. Finally, the fire disaster security was discussed by comparatively analyses of ASET and RSET. The results show that the B-type subway train has a good safety evacuation performance.

subway fire;evacuation;fire dynamics;Pathfinder;Pyrosim

2015-11-16

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目;西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目

蘇燕辰(1964-)，男，四川成都人，副教授，從事測(cè)控技術(shù)、高速列車檢測(cè)研究；E-mail:su_yan_chen@126.com

U298.4

A

1672-7029(2016)08-1613-05