陳 斯，蘇釗頤，陶 濤，周昕怡，張 永

（1.廣州地鐵集團有限公司 運營事業(yè)部，廣州 510335；2. 南京理工大學 自動化學院，南京 210094）

隨著城市地鐵建設的迅猛發(fā)展，如何保障地鐵安全可靠運營受到廣泛關注。地鐵隧道空間相對封閉，火災救援比較困難，易造成嚴重的財產(chǎn)損失和人員傷亡[1]。因此，對地鐵車廂火災煙氣蔓延特性的研究對于保障乘客的安全性和可靠性尤為重要。

針對地鐵火災煙氣蔓延特性的研究，目前主流的研究方法包括全尺寸試驗、小尺寸模型實驗以及數(shù)值模擬3 種[2]。Duck 等人在一列靜止列車上進行全尺寸燃燒試驗，研究整個火災過程中熱釋放速率變化情況，并考慮通風條件改變時，熱釋放速率的相應變化[3]。王少華以車廂內(nèi)部火源隨列車繼續(xù)運動的場景為研究對象，探討隧道中運動列車車廂內(nèi)部火災的煙氣蔓延規(guī)律，分析列車運行速度等因素對煙氣運動過程的影響[4]。莫善軍等人采用Phoenics 軟件對列車車廂火災引發(fā)的煙氣流動進行數(shù)值模擬，分析緊急狀況下煙氣和溫度變化對列車人員疏散的影響[5]。范騰毅等人采用1：20 縮尺模型，在不同風口尺寸、不同火源熱釋放速率以及不同排煙量等條件下，研究地鐵長區(qū)間隧道火災雙點排煙的頂部煙氣溫度分布特性與煙氣流動特性[6]。易欣等人基于Froude 相似性原理，采用1：10 小尺寸實驗模型，研究火源功率、縱向通風速度對隧道區(qū)間火災時溫度特性的影響[7]。謝洪生詳細分析地鐵火災特點，計算地鐵火災時疏散時間[8]。Rickard 通過全尺寸試驗，分析地鐵列車隧道火災的煙氣特性[9]。李真利用數(shù)值模擬的方法分析地鐵火災的煙氣蔓延規(guī)律和人員疏散情況，提出合理的人員疏散應急方案，并利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行動態(tài)仿真，驗證其可行性[10]。

本文基于數(shù)值模擬方法，對廣州地鐵3 號線B型車車廂建立全尺寸模型，研究不同區(qū)域的火源在靜止車廂燃燒的火災蔓延特性規(guī)律，提出可用安全疏散時間（ASET，Available Safety Egress Time）的評價指標，分析不同車廂區(qū)域發(fā)生火災的風險性，為地鐵車廂的消防安全設計提供參考。

1 ASET

1.1 火災發(fā)展過程

火災的發(fā)展可大致分為初始增長、充分發(fā)展和衰弱熄滅3 個階段[10]。初始增長階段是指大部分固體可燃物在建筑內(nèi)局部空間引燃，并逐漸失去控制的階段；充分發(fā)展階段是指更多的可燃物被持續(xù)引燃，火災由室內(nèi)局部燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)槿嫒紵倪^程；衰減熄滅階段是指室內(nèi)可燃物燃燒80%后火勢逐漸減小的階段。

1.2 ASET的判定指標

ASET 可表示為乘客從危險區(qū)成功疏散到安全區(qū)的允許時間，主要由火災本身的性質(zhì)決定，例如火源功率、火災增長速率、火源位置等。同時，燃燒環(huán)境也有一定的影響，例如空氣中的氧氣含量、建筑幾何結(jié)構(gòu)等。常用的火災危險判斷指標包括車廂能見度、溫度、煙氣層高度等。《地鐵設計規(guī)范》（GB50157-2013）中指出，當人眼特征高度處（Z=2.0 m）的車廂能見度小于10 m 時，會引起人員不適；當乘客所處空間溫度高于60℃時，會限制乘客的自由呼吸；若車廂煙氣層低于人眼特征高度將導致人員發(fā)生危險甚至死亡[11]。

綜上所述，選取車廂平均能見度、溫度和煙氣層高度作為ASET 的判定指標，見表1。

表1 ASET的判定指標

ASET 為人眼可視高度處以上3 項指標到達臨界值的時間中最短的時間，具體表述為：

其中，t1為能見度指標時間，即能見度為10 m的時間；t2為溫度指標時間，即溫度為60℃的時間；t3為煙氣層高度指標時間，即煙氣層高度最初低于人眼特征高度的時間。

2 模型建立

采用火災動態(tài)模擬器（FDS）軟件，建立地鐵列車火災模型。

2.1 地鐵列車火災模型設置

（1）列車車廂初始條件及邊界設置

車廂模型的環(huán)境溫度設置為25℃，邊界壓力值設置為1 標準大氣壓，單側(cè)車門和車廂端部邊界設置為開放邊界，其余設置為用戶自定義型邊界。

（2）火源設置

國內(nèi)大部分地鐵車廂內(nèi)裝材料表面都附著阻燃材料，降低了由內(nèi)裝材料自燃引發(fā)車廂火災的可能。但人為縱火仍然可能導致地鐵火災。為此，將火源設置為人為縱火，火源功率大致在0.468 MW ～1.74 MW 之間[10]，故將火源功率設置為1 000 kW。

（3）火源增長速率設置

火源增長速率是指火災從發(fā)展初期到穩(wěn)定燃燒階段的發(fā)展速率，對火災的燃燒特性有一定影響。為研究最危險情況下火災煙氣蔓延特性，將火源增長速率設置為超快速增長，取值為0.187 6。

（4）測點設置

在列車中心位置人眼可視高度（Y=1.5 m，Z=2.0 m）處設置熱電偶，檢測該點溫度，并每間隔5 m 放置一個熱電偶和火災煙霧探測器，檢測探測點的能見度和煙氣層高度數(shù)據(jù)。具體設置如圖1 所示。

（5）網(wǎng)格尺寸設置

合理的網(wǎng)格尺度既可滿足計算精度的要求，又

圖1 測點布置正視圖

可節(jié)約計算成本。FDS 軟件用戶指南給出的網(wǎng)格尺寸估值方法為：

其中：Q為火災熱釋放速率，單位為：kW；ρ∞為環(huán)境密度，單位為：kg/m3；cp為定壓比熱，單位為：kJ/(kg·k)；T∞為環(huán)境溫度，單位為：K；g為重力加速度，單位為：m/s2。

網(wǎng)格尺寸的推薦值為0.06 D* ～0.12 D*，按0.1 D*計算得到的網(wǎng)格尺寸約為0.1 m，可以滿足大多數(shù)火源功率下火災仿真的計算要求，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果能較好地吻合。

2.2 地鐵列車車廂火源場景設置

為研究火源位置對地鐵列車車廂燃燒特性的影響，根據(jù)單一變量實驗原則，設置3 種車廂火源，見表2。

表2 車廂火源類型設置表

將第3 節(jié)車廂尾部功率為1 000 kw 的火源作為一般典型火源，計算其ASET，其它火源ASET 的計算方法與一般典型火源相同。

3 仿真分析

3.1 典型火災場景仿真分析

選取表2 中的火源類型3 作為一般典型火災場景進行分析，求解其可用安全疏散時間。其它火源的可用安全疏散時間的計算方法與之相同。

（1）能見度分析

車廂各測點能見度變化如圖2 所示，其中，X代表能見度。

由圖2 可知，車廂的能見度變化非常明顯，當煙氣未蔓延至測點位置時，車廂的能見度為正?？梢暰嚯x30 m；當煙氣蔓延至測點位置時，車廂能見度迅速降低至0 m；靠近火源位置處的能見度下降速率比遠離火源位置處的能見度下降速度更快。

圖2 火災為火源類型3時測點能見度變化曲線

車廂內(nèi)火災能見度切面正視圖變化如圖3 所示。由圖3 可知，火災發(fā)展初期煙氣迅速蔓延整節(jié)車廂，50 s 時第3 節(jié)車廂能見度迅速降低，100 s 后煙氣蔓延至全部車廂，第1 節(jié)車廂煙氣分層現(xiàn)象明顯，這是因為夾雜著大量焦炭顆粒的濃煙溫度非常高，在熱空氣膨脹的向上升力的作用下大量煙氣在車廂頂棚上方聚集，同時冷空氣下沉導致煙氣分層現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖3 火災為火源類型3時能見度車廂切面正視圖變化規(guī)律

各測點能見度平均值變化曲線如圖4 所示，根據(jù)能見度指標求解該火災場景的能見度指標時間t1=156 s。

（2）溫度分布分析

車廂內(nèi)溫度切面正視圖的溫度變化如圖5 所示。

圖4 車廂內(nèi)各測點能見度平均值變化曲線

圖5 車廂內(nèi)溫度切面正視圖變化規(guī)律

由圖5 可知，前50 s 時火源所在車廂內(nèi)溫度急劇升高，溫度形成明顯的分層。100 s 時火源從車廂頂棚向第2 節(jié)車廂蔓延，第3 節(jié)車廂頂棚溫度持續(xù)上升，幾乎全部呈現(xiàn)高溫的紅色，同時第2 節(jié)車廂的上層空氣溫度迅速升高，高達100℃以上，高溫煙氣沿著車廂內(nèi)壁向第1 節(jié)車廂持續(xù)蔓延。150 s ～350 s時段內(nèi)，車廂內(nèi)溫度還是呈緩慢上升趨勢。

繪制車廂各測點溫度變化曲線如圖6 所示。由圖6 可知，車廂內(nèi)所有測點的數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，并在400 s 后維持一定的溫度。將車廂內(nèi)各測點位置的溫度數(shù)據(jù)求取平均值，得到車廂內(nèi)部平均溫度的變化情況，車廂內(nèi)各測點溫度平均值變化如圖7 所示。

觀察圖7 可發(fā)現(xiàn)，由于火源功率較小，且地鐵車廂座椅材料大多使用金屬材料，車廂阻燃性能較好，0 ～50 s 時火災發(fā)展初始階段車廂內(nèi)平均溫度緩慢，50 s ～250 s 車廂溫度開始顯著上升，250 s 后車廂內(nèi)溫度穩(wěn)定在80℃；求解得車廂溫度指標時間t2=187 s。

圖6 熱電偶測點溫度隨時間變化曲線

圖7 車廂內(nèi)各測點溫度平均值變化曲線

（3）煙氣層高度分析

各測點煙氣層高度變化如圖8 所示。

圖8 煙氣層高度變化曲線

由圖8 可知，在煙氣未達到探測點時，探測點的煙氣層高度恒為車廂頂棚高度，當煙氣蔓延至測點位置，煙氣層高度會迅速下降至1.5 m 左右，并且保持一定高度動態(tài)變化。平均煙氣層高度變化如圖9 所示。

圖9 平均煙氣層高度變化曲線

由圖9 可知，平均煙氣層高度呈階梯狀下降，煙氣層高度指標時間為t3=217 s。

表3 火災為火源類型3時指標時間對照表

表3 為這3 項指標時間的匯總，可知能見度指標時間最短，即火災為火源類型3 時，ASET 取3 者之中最短時間值，為156 s。

3.2 火源不同位置對燃燒特性影響

地鐵車廂空間狹長，因供氧量和可燃物的不同，不同位置火源的燃燒特性可能有所差異。選取3 種火災典型場景進行燃燒特性對比分析：第1 節(jié)車廂前部、第2 節(jié)車廂中部和第3 節(jié)車廂后部。

（1）能見度分析

各測點能見度的平均值變化如圖10 所示。由圖10 可知，第2 節(jié)車廂發(fā)生火災時，能見度下降最快。這說明火源設置在列車中部時，煙氣蔓延較火源在列車端部蔓延更為迅速；當火源設置在第2 節(jié)車廂中部時，能見度指標時間較端部火災要短近60 s。

圖10 車廂內(nèi)能見度變化曲線

由車廂內(nèi)能見度指標時間對照表4 可知，第2 節(jié)車廂火災時，能見度指標時間最短，為172 s，比第1 節(jié)車廂發(fā)生火災時的指標時間短59 s，比第3 節(jié)車廂發(fā)生火災時的指標時間短77 s；第1 節(jié)車廂火災與第3 節(jié)車廂火災的能見度指標時間差別不大；由此可說明，車廂中部火災比車廂端部火災的危險性更大。（2）溫度分析

表4 車廂內(nèi)能見度指標時間對照表

車廂內(nèi)平均溫度變化如圖11 所示。

圖11 不同火源位置溫度變化曲線

由圖11 可知，前100 s 為火災發(fā)展初期，車廂溫度升高緩慢；100 s ～300 s 時段內(nèi)車廂內(nèi)溫度上升明顯；300 s 之后，溫度保持動態(tài)平衡。車廂中部發(fā)生火災時，車廂內(nèi)溫度升高更快，車廂內(nèi)穩(wěn)定溫度更高。這是由于車廂中部火災高溫煙氣的蔓延路徑比車廂端部火災的路徑要少，損失的熱量更少，導致車廂內(nèi)平均溫度升溫更快。

通過觀察不同位置火災的溫度到達人體不可接受溫度（60℃及以上）的時間，得到各火源類型的溫度指標時間，見表5。

表5 不同火源位置的溫度指標時間對照表

由表5 可知，第2 節(jié)車廂火災的溫度指標時間比第1 節(jié)車廂火災的溫度指標時間短8 s，比第3 節(jié)車廂火災的溫度指標時間短24 s，車廂中部火災的危險性更高；

（3）煙氣層高度分析

各火災煙霧探測器測點的平均煙氣層高度隨時間變化的情況如圖12 所示。

圖12 不同火源位置溫度變化曲線

由圖12 可知，火源位置不同會導致火災煙氣蔓延特性有所不同。當火源在第2 節(jié)車廂中部時，火災煙氣從列車中部蔓延至兩端的時間比車廂端部蔓延至全局的時間短。各火源位置的煙氣層高度指標時間見表6，可知第2 節(jié)車廂火災的煙氣層高度指標時間比其它位置車廂火災的煙氣層高度指標時間更短。

表6 不同火源位置的煙氣層高度指標時間對照表

不同火源位置火災的可用安全疏散時間見表7，可知第2 節(jié)車廂火災的可用安全疏散時間遠小于第1節(jié)車廂和第3 節(jié)車廂火災。由此可得出結(jié)論，車廂中部火災比車廂端部火災更危險。

表7 不同火源位置的可用安全疏散時間對照表

4 結(jié)束語

建立廣州地鐵3 號線B 型車前3 節(jié)車廂全尺寸比例仿真模型，分析不同區(qū)域火災場景下的煙氣蔓延特性，并求解不同火源位置的ASET。研究結(jié)果表明，在能見度、溫度和煙氣層高度這3 項指標中，能見度指標最短，可更為迅速地反映地鐵車廂火災的發(fā)展情況；同時，地鐵第2 節(jié)車廂中部火災的ASET小于其它2 種火源位置時的ASET，即車廂中部火災的危險性高于車廂端部火災。