田 鑫 蘇燕辰 席亞軍 王建帆

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,610031,成都; 2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,610031,成都∥第一作者,碩士研究生)

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高速列車(chē)火災(zāi)疏散性能研究

田 鑫1蘇燕辰1席亞軍2王建帆1

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,610031,成都; 2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,610031,成都∥第一作者,碩士研究生)

針對(duì)高速列車(chē)火災(zāi)逃生通道狹小的特點(diǎn),首先利用Pyrosim仿真軟件結(jié)合真實(shí)燃燒試驗(yàn)所得的材料參數(shù),進(jìn)行了列車(chē)的火災(zāi)仿真。通過(guò)火勢(shì)擴(kuò)散程度、溫度、熱流量和煙層高度變化,確定了火災(zāi)狀況下列車(chē)內(nèi)乘客的極限逃生時(shí)間。然后通過(guò)人群疏散演練試驗(yàn),并用Pathfinder軟件對(duì)疏散情況仿真建模,確定了人群實(shí)際的疏散逃生時(shí)間。在列車(chē)中部起火后,引導(dǎo)疏散方案與自由疏散方案均能滿(mǎn)足仿真所得的極限逃生時(shí)間要求,但引導(dǎo)疏散方案的效率更高。 通過(guò)對(duì)整列列車(chē)的軌道面疏散仿真發(fā)現(xiàn),若配有逃生梯的車(chē)廂起火,應(yīng)及時(shí)將逃生梯轉(zhuǎn)移,以大幅提高疏散效率。

高速列車(chē); 火災(zāi)疏散; 仿真研究

First-author′s address School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,610031,Chengdu,China

高速列車(chē)以其舒適、安全、便捷、環(huán)保等優(yōu)勢(shì),近年來(lái)得到了快速發(fā)展,截至2015年底，我國(guó)高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)里程突破1.9萬(wàn)km,高居世界第一。高速列車(chē)通道狹小,如發(fā)生火災(zāi)將嚴(yán)重危害車(chē)上人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。文獻(xiàn)[1]運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法模擬分析了高速列車(chē)在火災(zāi)繼續(xù)運(yùn)行模式下的人員逃生安全性。文獻(xiàn)[2]利用FDS軟件探究了火災(zāi)危害因素，進(jìn)而討論了隧道內(nèi)列車(chē)火災(zāi)疏散的安全性。文獻(xiàn)[3]探討了CRH1型高速列車(chē)不同火源位置對(duì)人員疏散的影響。

本文通過(guò)火災(zāi)數(shù)值仿真進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景的疏散演練,并從對(duì)整列列車(chē)進(jìn)行軌道面疏散仿真入手,來(lái)綜合研究列車(chē)突發(fā)火災(zāi)的疏散問(wèn)題。首先，通過(guò)實(shí)際材料的燃燒試驗(yàn)得到相關(guān)材料參數(shù),再利用Pyrosim火災(zāi)模擬軟件建模進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬,并通過(guò)分析溫度及煙氣等對(duì)人員疏散構(gòu)成威脅的參數(shù)來(lái)確定可用的疏散時(shí)間[2]；然后，通過(guò)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的人員疏散演練試驗(yàn)及疏散仿真模擬,確定實(shí)際耗費(fèi)的疏散時(shí)間；最后，結(jié)合具體的場(chǎng)景分析,探討高速列車(chē)的火災(zāi)疏散性能。

1 高速列車(chē)熱釋放仿真

1.1 Pyrosim軟件建模

火災(zāi)分析軟件FDS廣泛應(yīng)用于火災(zāi)模擬分析。Pyrosim是一款用于FDS軟件預(yù)處理和后處理的圖形軟件,因其使用便捷,在FDS建模分析中被普遍采用[4-6]。

本文分析所用的車(chē)輛模型為CRH2型高速動(dòng)車(chē)組,其車(chē)體尺寸與幾何參數(shù)均與真實(shí)車(chē)輛相同。材料的熱力學(xué)參數(shù)基于試驗(yàn)所得數(shù)據(jù),且所做試驗(yàn)均參照燃燒熱釋放相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定[7-8]。列車(chē)內(nèi)飾主要材料的熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。仿真所采用的火源位于列車(chē)中部座椅處?；鹪疵娣e為0.04 m2,火源的功率為0.02 MW。列車(chē)仿真模型及火源位置如圖1所示。

表1 列車(chē)內(nèi)飾主要材料的熱力學(xué)參數(shù)

圖1 列車(chē)仿真模型及火源位置

1.2 熱釋放仿真結(jié)論

根據(jù)表1的熱力學(xué)參數(shù),在Pyrosim中建模，模擬分析火災(zāi)擴(kuò)散趨勢(shì)、溫度、熱流量及煙層高度,得到圖2～圖4。

圖2 車(chē)廂中部溫度變化

圖3 右端車(chē)門(mén)處的熱流量變化

圖4 車(chē)廂中部位置煙層高度變化

根據(jù)模擬結(jié)果，火源起火200 s后,車(chē)廂中部火勢(shì)加速擴(kuò)大,并開(kāi)始引燃周邊座椅?；饎?shì)有蔓延趨勢(shì),將對(duì)車(chē)廂內(nèi)乘客的生命安全構(gòu)成威脅。因此在車(chē)廂內(nèi)火勢(shì)擴(kuò)散前,乘客需要離開(kāi)車(chē)廂。

從圖2可知,當(dāng)火災(zāi)發(fā)生226 s后,車(chē)廂中部溫度呈現(xiàn)指數(shù)型上升趨勢(shì),迅速超過(guò)人體可接受的極限溫度(100 ℃),并在475 s左右達(dá)到臨界穩(wěn)定溫度450 ℃。因此，應(yīng)在火災(zāi)發(fā)生后226 s內(nèi)將乘客疏散離開(kāi)車(chē)廂。

從圖3可知,在火災(zāi)發(fā)生294 s內(nèi),端門(mén)處的熱流量尚基本穩(wěn)定；但在294 s時(shí)端門(mén)處熱流量突然發(fā)生跳變急劇上升,達(dá)到對(duì)人體構(gòu)成威脅的閥值(2.5 kW);在火災(zāi)發(fā)生600 s時(shí)車(chē)廂內(nèi)的熱流量達(dá)到臨界值(800 kW左右)，此后才穩(wěn)定下來(lái)。此時(shí)，環(huán)境已不適合人類(lèi)的存在,應(yīng)避免車(chē)廂附近仍然有乘客逗留。

從圖4可知,在火災(zāi)發(fā)生72 s后,煙氣層的高度跳變至1.5 m,基本處于人體呼吸的位置。煙氣中包含的有毒氣體(CO等)會(huì)對(duì)疏散人員構(gòu)成危害。此時(shí),車(chē)廂內(nèi)的乘客應(yīng)盡量低身前進(jìn),并迅速撤離。

2 疏散演練試驗(yàn)及仿真

2.1 疏散演練試驗(yàn)

2.1.1 疏散演練試驗(yàn)概況

演練模擬選擇位于列車(chē)中部的7號(hào)車(chē)廂。疏散按自由疏散和引導(dǎo)疏散兩種情況進(jìn)行。車(chē)廂滿(mǎn)載乘客共85人。乘客自響應(yīng)起火開(kāi)始轉(zhuǎn)移,從兩端車(chē)門(mén)離開(kāi)車(chē)廂。演練使用煙霧彈模擬起火的現(xiàn)場(chǎng)煙氣工況。演練示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 列車(chē)7號(hào)車(chē)廂(二等座車(chē)廂)中部起火疏散演練示意圖

本次演練試驗(yàn)參加人員多為男性。試驗(yàn)人員肩寬尺寸平均值為45.02 cm,最大值為55 cm,最小值為39 cm；年齡平均值為28.39歲,最大值為55歲,最小值為21歲。為了確定在列車(chē)內(nèi)人員的行走速度,試驗(yàn)記錄了50位參演人員經(jīng)過(guò)7號(hào)車(chē)廂2個(gè)內(nèi)端門(mén)的時(shí)間差及這2個(gè)內(nèi)端門(mén)之間的距離,進(jìn)而計(jì)算得到人員的行走速度。自由疏散時(shí)，人員行走速度呈標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.21 m/s、均值為1.52 m/s、最大值為2.35 m/s、最小值為1 m/s的正態(tài)分布。引導(dǎo)疏散時(shí)，人員行走速度呈標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.68 m/s、均值為2.49 m/s、最大值為4.37 m/s、最小值為1.79 m/s的正態(tài)分布。可見(jiàn),引導(dǎo)疏散相比自由疏散能夠大幅減少疏散時(shí)間。

2.1.2 消防設(shè)施配置

列車(chē)車(chē)廂內(nèi)合理配置消防設(shè)施可對(duì)人員的安全疏散起到重要作用。列車(chē)全車(chē)廂配置了煙火報(bào)警系統(tǒng)。發(fā)生火災(zāi)時(shí)車(chē)廂內(nèi)的空調(diào)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉以減弱火勢(shì)蔓延。車(chē)廂之間設(shè)置了防火隔離門(mén)，其與墻壁接觸處的膠條受熱會(huì)膨脹,能有效減弱煙氣擴(kuò)散。8輛編組的列車(chē)在部分車(chē)廂的備品柜中放有逃生梯/救援渡板,可向地面及救援列車(chē)疏散乘客。

2.1.3 疏散演練效果

從實(shí)際的疏散演練可以看出,引導(dǎo)疏散使人群更有秩序,不會(huì)發(fā)生多人擁擠現(xiàn)象。由于人群在車(chē)廂內(nèi)面對(duì)煙氣環(huán)境會(huì)產(chǎn)生急躁心理,出現(xiàn)躁動(dòng),進(jìn)而降低疏散效率,因而相對(duì)于引導(dǎo)疏散，自由疏散的響應(yīng)時(shí)間和轉(zhuǎn)移時(shí)間均有所增加。可見(jiàn),當(dāng)車(chē)廂內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，對(duì)人群進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)更有助于規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。具體疏散時(shí)間統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 疏散演練時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

2.2 安全疏散模擬仿真

Pathfinder軟件通過(guò)對(duì)環(huán)境、人員屬性等參數(shù)的設(shè)置,使仿真更加逼近真實(shí)結(jié)論[9]。軟件中針對(duì)疏散有SFPE和Steering兩種模式可以選擇,本文采用基于多智能體技術(shù)設(shè)計(jì)的Steering模式作為人員疏散的指導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行仿真[10-11]。

仿真假定滿(mǎn)載乘客的列車(chē)7號(hào)車(chē)廂(二等座車(chē)廂)中部起火。列車(chē)緊急制動(dòng)并搭設(shè)逃生梯進(jìn)行軌道面疏散。疏散人員應(yīng)盡量遠(yuǎn)離起火車(chē)廂。由于空間狹小及需搭設(shè)逃生設(shè)施等限制,所以軌道面疏散耗時(shí)較長(zhǎng)。7號(hào)車(chē)廂搭載有1架逃生梯。疏散方案分為逃生梯未及時(shí)轉(zhuǎn)移至其他車(chē)廂(方案一)和及時(shí)轉(zhuǎn)移至其他車(chē)廂(方案二兩種。逃生梯設(shè)置方案見(jiàn)圖6及圖7。為更接近真實(shí)狀況,仿真采用自由疏散的時(shí)間參數(shù),而人員參數(shù)(如肩寬、舒適距離及行走速度等)根據(jù)疏散演練的數(shù)據(jù)合理設(shè)置。

圖6 方案一

圖7 方案二

仿真采用的逃生梯參數(shù)(幾何尺寸及速度參數(shù))為疏散演練時(shí)所統(tǒng)計(jì)的真實(shí)數(shù)值。2種方案的軌道面疏散時(shí)間仿真結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)仿真結(jié)果，及時(shí)將起火車(chē)廂備品柜中的逃生梯轉(zhuǎn)移,可大幅提高疏散效率。

表3 軌道面疏散時(shí)間統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)列車(chē)的火災(zāi)數(shù)值仿真、實(shí)際疏散演練及軌道面疏散仿真的研究,可得到如下結(jié)論:

(1) 分析列車(chē)起火后的火勢(shì)擴(kuò)展、溫度變化、煙氣層高度變化及熱流量變化可知,車(chē)內(nèi)轉(zhuǎn)移時(shí)間應(yīng)盡量控制在火災(zāi)發(fā)生72 s之內(nèi)。因?yàn)榱熊?chē)座椅起火72 s后,產(chǎn)生的毒害煙氣將對(duì)人體正常呼吸構(gòu)成危害。車(chē)廂內(nèi)轉(zhuǎn)移的乘客應(yīng)盡量低身前進(jìn)?；馂?zāi)發(fā)生后200～300 s時(shí),車(chē)內(nèi)溫度、火勢(shì)、熱流量都會(huì)發(fā)生大幅提高。此時(shí)，人群應(yīng)盡量遠(yuǎn)離起火列車(chē)。

(2) 通過(guò)疏散演練發(fā)現(xiàn),在列車(chē)中部起火的情況下,引導(dǎo)疏散與自由疏散均能在煙氣及溫度對(duì)人體構(gòu)成威脅前使乘客安全撤離車(chē)廂。引導(dǎo)疏散方案效率更高。

(3) 針對(duì)7號(hào)車(chē)廂(二等座車(chē)廂)起火的情況,通過(guò)對(duì)列車(chē)的軌道面疏散仿真發(fā)現(xiàn),只有3個(gè)逃生梯時(shí)，全車(chē)乘客轉(zhuǎn)移耗時(shí)610 s；而4個(gè)逃生梯均能使用時(shí)，全車(chē)乘客轉(zhuǎn)移耗時(shí)475 s?？梢?jiàn)，在配有逃生梯的車(chē)廂起火時(shí),應(yīng)及時(shí)轉(zhuǎn)移逃生梯,以大幅減小疏散時(shí)間。

(4) 列車(chē)的材料燃燒測(cè)試結(jié)果及人員的實(shí)際疏散演練結(jié)果均驗(yàn)證了Pyrosim軟件對(duì)火災(zāi)數(shù)值模擬計(jì)算的實(shí)用性。Pathfinder軟件的人員疏散仿真能為乘客疏散逃生提供指導(dǎo)幫助。

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Research on the Evacuation of High-speed Train in Fire Disaster

TIAN Xin,SU Yanchen,XI Yajun，WANG Jianfan

In view of the narrow escape passage on high-speed train when a fire breaks out,the case in running train is simulated based on material parameters obtained by Pyrosim simulation software combined with real combustion test.The ultimate escape time for passengers in case of fire is confirmed by investigating into the changes of fire spreading degree,temperature,heat flow and smoke layer height. Subsequently,the actual evacuation and escape time are confirmed by crowd evacuation drill and test,Pathfinder software is used for simulation modeling on the evacuation.When the fire bereaks out in the middle of the train,both the guided evacuation time and the free evacuation time can meet the limit time through fire numerical simulation,but the efficiency of guided evacuation is higher.By simulating the orbital plane evacuation of the whole train,if the carriage with emergency ladder is on fire,the ladder should be transferred in time to improve the evacuation efficiency substantially.Key words high-speed train; fire evacuation; simulation

U298.4∶U292.91+4

10.16037/j.1007-869x.2017.06.015

2016-04-22)