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        高速動車組地板結(jié)構(gòu)耐火性能分析*

        2021-03-02 09:16:38劉彥彤陸守香覃義仁
        城市軌道交通研究 2021年2期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        劉彥彤 陸守香 張 術(shù) 孫 勇 覃義仁

        (1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室,230026,合肥;2.中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心,130062,長春//第一作者,高級工程師)

        高速動車組發(fā)生火災(zāi)的后果十分嚴(yán)重[1],地板結(jié)構(gòu)作為動車組重要的防火隔斷之一,其耐火性能在火災(zāi)的發(fā)展中起著重要作用。目前,國內(nèi)已經(jīng)對動車組地板結(jié)構(gòu)進行了大量的試驗研究[2],然而,通過這些標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗仍然較難理解地板結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的內(nèi)在行為機理。

        本文分析了高速動車組列車車體材料的防火性能對結(jié)構(gòu)耐火性能的影響,對地板結(jié)構(gòu)的耐火性能進行了數(shù)值模擬,得到了列車車體材料的防火性能和結(jié)構(gòu)的耐火性能。

        1 地板結(jié)構(gòu)耐火性能數(shù)值模擬分析

        利用COMSOL多物理場模擬軟件對高速動車組地板結(jié)構(gòu)耐火試驗進行了數(shù)值模擬,對試驗中的導(dǎo)熱、對流及輻射傳熱過程進行了模擬分析。首先使用CAD(計算機輔助設(shè)計)軟件按照1…1的比例建立三維幾何模型,然后將模型導(dǎo)入COMSOL軟件,如圖1所示。

        圖1 地板結(jié)構(gòu)模擬圖

        地板結(jié)構(gòu)長3 m,寬4 m。從地板結(jié)構(gòu)底面(受火面)至頂面(背火面)各層材料分別為瀝水板、吸音材、碳纖維、隔音氈、復(fù)合膠合板、橡膠地板布,層間各材料緊密貼合無間距。各層材料尺寸參數(shù)如表1所示。各層材料參數(shù)如表2所示。所有材料均視為各向同性,即針對任意材料,其導(dǎo)熱系數(shù)值在x、y、z方向上均相等。

        表1 地板結(jié)構(gòu)幾何尺寸 單位:mm

        表2 地板結(jié)構(gòu)各層材料參數(shù)表

        模擬時,仿照試驗時地板側(cè)面使用的隔熱材料進行封堵,且將模型側(cè)壁設(shè)定為絕熱邊界條件。針對模型的下表面(受火面),認為其溫度依照標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線[3]變化,即:

        T0=345 lg(8t+1)+Tinitial

        (1)

        式中:

        T0——環(huán)境溫度,℃;

        t——時間,min;

        Tinitial——受火面初始溫度,取25 ℃。

        本模擬中地板結(jié)構(gòu)的上表面(背火面)暴露在空氣中,由于環(huán)境溫度較低,因此可將上表面設(shè)置為開邊界。此處主要表現(xiàn)為空氣對板材的對流冷卻,可以由如下方程控制:

        (2)

        式中:

        T——地板結(jié)構(gòu)上表面溫度;

        n——地板結(jié)構(gòu)上表面溫度的法向矢量;

        u——地板結(jié)構(gòu)上表面氣流速度;

        q——地板上表面的熱流。

        由于地板結(jié)構(gòu)扁平,橫向溫度梯度沒有縱向溫度梯度顯著,因此采用自由四邊形掃掠網(wǎng)格,并在不同層進行相應(yīng)細化。該做法在簡化網(wǎng)格劃分的同時可以提高計算效率,基本的網(wǎng)格單元質(zhì)量和數(shù)量取值如表3所示。表3中的數(shù)據(jù)說明本模擬中使用的網(wǎng)格較為扁平,但由于橫向傳熱不是模擬關(guān)注的重點,因此可以接受這樣的網(wǎng)格質(zhì)量。

        表3 網(wǎng)格單元質(zhì)量和數(shù)量取值

        本文中的模型使用瞬態(tài)求解器求解域變量隨時間變化的問題。計算時將所構(gòu)建的幾何網(wǎng)格輸入固體傳熱物理場接口,設(shè)定計算時間為30 min、迭代平均步長為1 min,利用拉格朗日二次插值函數(shù)對控制方程數(shù)值化后進行迭代求解。

        2 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗驗證

        2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

        為模擬試驗中的測量情況,輸出了地板結(jié)構(gòu)背火面溫度隨時間的變化趨勢,以及背火面的最高溫度曲線與平均溫度曲線,并將后兩者進行了對比,如圖2所示。結(jié)果顯示,背火面的最高溫度曲線與平均溫度曲線基本重合。由于模擬時假設(shè)板材四周理想絕熱,底部均勻受熱,因此背火面的溫度分布也較為均勻。這也間接說明地板內(nèi)部傳熱的一維特性,即僅在高度方向上存在顯著的溫度梯度。因此,模擬分析時可以暫不考慮地板結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度的水平分布。

        圖2 地板結(jié)構(gòu)背火面溫度隨時間的變化曲線

        文獻[4]對地板結(jié)構(gòu)耐火失效的判據(jù)所作的規(guī)定為:“隔熱性條件:背火面平均溫度超過初始溫度140 ℃,或背火面的任何一點,無論是固定測溫點還是移動測溫點超過初始溫度180 ℃。”將背火面溫度與恒溫(165 ℃)進行了對比,結(jié)果發(fā)現(xiàn),背火面溫度將在84 min時達到隔熱性失效標(biāo)準(zhǔn),如圖2所示。這說明在地板結(jié)構(gòu)耐火試驗中,如果假定地板結(jié)構(gòu)內(nèi)部始終完整,僅通過下表面加熱,上表面散熱,最多84 min隔熱失效。因此,應(yīng)控制試驗時間低于該模擬值。

        2.2 試驗驗證

        與真實地板結(jié)構(gòu)相比,數(shù)值模型由于受到計算精度與參數(shù)獲取的限制,將阻尼漿、彈性支撐、木骨、減震墊等結(jié)構(gòu)并入其他臨近結(jié)構(gòu)進行模擬,且認為其性質(zhì)與所并入的臨近結(jié)構(gòu)相同。這種近似忽略了上述結(jié)構(gòu)的影響,但并入的結(jié)構(gòu)尺寸相對很小,對模擬結(jié)果影響有限。此外地板結(jié)構(gòu)的實際尺寸為4 550 mm×3 255 mm(長度×寬度),與模擬地板結(jié)構(gòu)的尺寸4 000 mm×3 000 mm(長度×寬度)相差較大,并且含支撐結(jié)構(gòu)。然而地板結(jié)構(gòu)主體板材的性質(zhì)相同,支撐結(jié)構(gòu)水平截面積相對地板結(jié)構(gòu)可以忽略,因此數(shù)值模擬與試驗結(jié)果仍具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r值。

        試驗時,環(huán)境溫度設(shè)為25 ℃。在地板結(jié)構(gòu)背火面布置了9個測溫?zé)犭娕?,分布如圖3所示。試驗爐內(nèi)的實際溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度對比如圖4所示。由圖4可知,試驗爐內(nèi)的實際平均溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度基本相符,但在10 min后爐內(nèi)實際平均溫度存在一定的波動,不超過標(biāo)準(zhǔn)溫度的5%,可以認為試驗時的邊界條件與數(shù)值模擬的邊界條件一致。

        圖3 地板結(jié)構(gòu)背火面熱電偶布置圖

        背火面溫度的模擬值與試驗值對比如圖5所示。由圖5可知,試驗測得的背火面的平均溫度和最高溫度與數(shù)值模擬值基本一致,試驗值略微偏高,30 min內(nèi)前兩者相差最大不超過試驗值的8%,具有較高的一致性。試驗值整體偏高是因為試驗裝置無法做到良好的密封,且地板結(jié)構(gòu)內(nèi)存在一定的貫穿支撐結(jié)構(gòu)。一方面溢出的熱氣直接加熱地板結(jié)構(gòu)表面,另一方面熱量通過導(dǎo)熱系數(shù)較高的支撐結(jié)構(gòu)較迅速地向上傳遞,這使得試驗中的背火面溫度上升較快。此外,試驗時背火面溫度的平均值是9個熱電偶測得溫度的平均值,而背火面溫度模擬平均值是整個平面溫度積分后的平均值,兩者統(tǒng)計方式的不同亦會造成一定的誤差。

        圖5 背火面溫度的模擬值與試驗值對比圖

        對比背火面最高溫度的試驗與模擬結(jié)果可見,試驗值與模擬值相比偏離較大。但試驗顯示,背火面的最高溫度大都由位于地板邊緣的熱電偶測得,爐內(nèi)高溫氣體泄漏造成了背火面溫度異常升高。

        研究發(fā)現(xiàn),背火面的最高溫度在30 min后迅速升高。試驗表明,此時地板底部結(jié)構(gòu)完整性被破壞,爐內(nèi)火焰直接加熱地板結(jié)構(gòu)背火面材料使其迅速升溫。同時,試驗中地板結(jié)構(gòu)邊緣有煙氣冒出、躥火等現(xiàn)象,判定其耐火失效。依據(jù)背火面溫度升高對地板結(jié)構(gòu)耐火性能的影響進行判斷,試驗所得的失效時間約為數(shù)值模擬所得的一半以下,說明構(gòu)成地板結(jié)構(gòu)的材料在高溫中的物理及化學(xué)變化對地板的耐火性能有很大影響。

        3 結(jié)論

        1) 本文建立的數(shù)值模型具有較好的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。在不考慮地板材料在高溫中的物理、化學(xué)變化的情況下,模擬地板結(jié)構(gòu)背火面在84 min時超過初始溫度165 ℃,并可依此判斷為耐火失效。

        2) 通過將地板結(jié)構(gòu)的耐火數(shù)值模擬結(jié)果與耐火試驗結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)在30 min內(nèi)模擬對實際情況具有較好的復(fù)現(xiàn)能力;而試驗所得背火面的溫度相對較高,并在30 min后迅速升高,說明實際試驗爐側(cè)面存在漏氣、躥火等情況,并且高溫造成的地板材料的物理、化學(xué)變化對地板結(jié)構(gòu)的耐火性能具有很大的影響,實際地板結(jié)構(gòu)的耐火性能可以維持30 min。

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