劉新蕾，周子涵

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實驗室， 哈爾濱 150022)

0 引 言

高速列車車廂狹長且封閉，發(fā)生火災(zāi)后高溫?zé)煔饴铀俣葮O快，會迅速充滿車廂，有統(tǒng)計表明，因火災(zāi)產(chǎn)生有毒有害煙氣而造成的人員窒息傷亡占60%～80%[1]?；馂?zāi)初期控制車廂內(nèi)煙氣蔓延并及時排出高溫?zé)煔?，是高速列車火?zāi)亟需解決的難題。國內(nèi)外學(xué)者對于車廂內(nèi)部火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣運動規(guī)律及控制技術(shù)開展了一系列研究。張培紅等[2]基于FDS模擬，研究了地鐵車廂火災(zāi)在細水霧及機械排煙耦合作用下的滅火效果。代君雨[3]通過理論計算得到了高速列車一節(jié)車廂的火源功率及火災(zāi)增長系數(shù)并模擬了車廂在外側(cè)車門和逃生窗開閉狀態(tài)下的煙氣流動情況。李鎮(zhèn)韜等[4]研究了不同逃生窗打開方式對車廂熱釋放速率的影響以及發(fā)生火災(zāi)時不同的火源功率下是否應(yīng)打開逃生窗。王愛武等[5]探討了旅客攜帶行李的重量以及車窗的開閉狀態(tài)對車廂火災(zāi)熱釋放速率的影響。Anders等[6]基于1/3列車車廂模型研究了火災(zāi)荷載量對火災(zāi)及煙氣蔓延的影響并進行了局部發(fā)生轟燃的參數(shù)測試。在火災(zāi)煙氣流動控制方面，余明高[1]、陳靜[7]等研究了機械排煙和空氣幕耦合作用對煙流分布的影響。覃道樅[8]等運用FDS模擬了不同通風(fēng)條件下車廂內(nèi)部的煙氣擴散，并指出機械排煙與火源附近外窗開啟隨時間推移排煙效果逐漸下降。程友鵬[9]提出車廂頂部開窗方案并分析了開窗面積、加壓送風(fēng)組合排煙窗及自然排煙條件下的防排煙效果。

上述模擬研究主要集中于火災(zāi)發(fā)生車廂的煙氣流動規(guī)律，且均在靜態(tài)條件下進行，未考慮煙氣對鄰近車廂的影響和控制設(shè)施的聯(lián)動。筆者基于前人研究的基礎(chǔ)，運用FDS軟件對車廂進行物理建模，采取空白對照實驗研究列車中部發(fā)生火災(zāi)后的煙氣擴散規(guī)律及對相鄰車廂的影響，通過不同排煙措施聯(lián)動下的溫度、能見度分析，得到最優(yōu)排煙方案。

1 計算模型與場景設(shè)定

1.1 計算模型

高速列車發(fā)生火災(zāi)的過程中空氣運動與煙氣的運移一般屬于湍流流動，結(jié)合FDS軟件提供的直接模擬和大渦模擬兩種方法，采用能得到較為精確的解并且計算量較小的大渦模擬對高速列車火災(zāi)的煙氣流動情況進行仿真模擬計算[10]。紊流控制方程組方程為

(1)

式中：ui,uj——速度矢量，m/s，i,j=1,2,3，…；

p——壓強/Pa；

t——時間，s；

ρ——密度，kg/m3；

μ——運動黏度，m2/s；

Sij——流體應(yīng)變率張量。

τij為亞格子應(yīng)力，代表小渦對大渦的影響，基于Smagorinsky模型，τij具有下面的形式：

(2)

μLES為亞格子尺度的湍流黏性系數(shù)，與運動黏度量綱同為m2/s，

(3)

式中：Cs——Smagorinsky常數(shù)；

δ——濾波寬度/m。

1.2 仿真模型的建立

物理模型選取自國內(nèi)某型號高速列車，建立了二等座、一等座、餐車3節(jié)車廂聯(lián)合體作為研究對象，內(nèi)部設(shè)施盡可能還原列車實際情況。對列車車廂主體框架及材料用量較多的部件按照實際情況建模，細小部件忽略不計。單節(jié)車廂尺寸為26 m×4 m×3 m，每節(jié)車廂均在同一側(cè)設(shè)7個緊急逃生窗和2個車門。在保證模擬計算效率的同時最大化的還原現(xiàn)實條件，最終在物理模型內(nèi)設(shè)置了0.5 m精細的網(wǎng)格，共計7 488個網(wǎng)格。高速列車仿真模型如圖1所示。模型中1～18號探測器位置分別布置SD02～SD36，THCP02～THCP36傳感器，傳感器編號以偶數(shù)規(guī)律增長。

圖1 高速列車車廂立體圖Fig. 1 Stereo view of highspeed train carriages

1.3 仿真方案設(shè)計

1.3.1 工況設(shè)定

高速列車火災(zāi)場景在“最不利、最典型原則”的基礎(chǔ)上結(jié)合實際設(shè)置。模擬設(shè)置一等座中部座椅發(fā)生火情，火源功率為0.5 MW，火源面積為0.6 m×0.4 m，模擬5種工況條件下的火災(zāi)蔓延情況，具體如表1所示。

表1 各類通風(fēng)條件工況設(shè)置

1.3.2 監(jiān)測點與切片設(shè)置

車廂內(nèi)座椅間的過道為主要逃生通道，在過道位置y=2.0 m、平均人眼高度z=1.5 m位置同時設(shè)置溫度、煙氣濃度、能見度切片。此外，為了觀測車廂內(nèi)的火災(zāi)煙氣變化，在靠近頂棚處z=2.9 m位置，從二等座車廂起始端開始，沿縱向每隔4.0 m布置探測器監(jiān)測點，探測器序號以偶數(shù)規(guī)律增長，如(00、02、04、…)，其中，SD14～24、THCP14～24位于起火車廂內(nèi)，并在緊急逃生窗中布置熱電偶。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 車廂全封閉

在全封閉狀態(tài)下發(fā)生火災(zāi)的溫度切片如圖2所示。煙氣的運動過程大致可分為3個階段。第1階段為頂棚羽流階段，由圖2可以看出，在t=5 s時，此時火災(zāi)煙氣由火源逐漸上升，在到達頂棚后向客室車廂兩端蔓延，并在30 s時到達車廂兩端；第2階段，客室車廂兩端煙氣積聚，一部分回滾沉降使得客室車廂中部以上逐漸充滿，另一部分煙氣繼續(xù)向車廂前室蔓延，火源上方隨煙氣不斷積聚形成高溫區(qū)；第3階段，t>60 s后，煙氣快速充滿車廂兩端前室，在兩端前室與客室銜接處形成高溫區(qū)。在車廂全封閉的情況下，由火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣層高度下降極快，在240 s時,座椅處溫度超過60 ℃。

圖2 車廂中部縱向溫度切片 Fig. 2 Longitudinal temperature slice of middle compartment

圖3為一等座車廂內(nèi)頂棚溫度變化趨勢，溫度傳感器以火源點為中心呈兩邊對稱布置，間距4 m，其中THCP18、THCP20距火源最近。由圖3可知，火災(zāi)發(fā)生70 s后，車廂棚頂溫度陸續(xù)超過60 ℃，火源兩側(cè)溫度基本呈對稱分布。

圖3 車廂頂棚溫度傳感器數(shù)據(jù)Fig. 3 Roof temperature sensor data

2.2 車廂內(nèi)兩端車門開啟

在工況2條件下，車廂內(nèi)門開啟，但車廂外門及車窗均關(guān)閉時，模擬結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，在t=5 s時，煙氣到達車廂上方并發(fā)生頂棚射流現(xiàn)象；在t=20 s時煙氣層即下降到車廂兩側(cè)車門上沿，隨后煙氣沿車門上沿向外蔓延，快速向相鄰車廂擴散。同時，熱氣流上升導(dǎo)致外界新鮮空氣流從車門下方流入車廂內(nèi)部，可能會對火源起到助燃作用，從而難以控制火勢。在整個車廂范圍內(nèi)，煙氣除在火源上方外的主要運動方式為水平流動。

圖4 一等座車廂中部座椅火情煙氣擴散Fig. 4 Smoke diffusion of seat fire in middle of first class carriage

人員主要逃生路徑為車廂內(nèi)通道，通過在一等座車廂中部座椅設(shè)置火源對車廂走廊不同時刻的煙氣濃度和溫度變化進行分析，還可以進一步了解車廂內(nèi)煙氣的分布情況。圖5為車廂內(nèi)不同位置煙氣濃度隨時間的變化，其中煙霧傳感器SD18為頂棚距離火源最近處。通過分析可知，煙氣關(guān)于火源基本呈對稱分布，煙氣濃度隨時間的增長而增大，離火源越近，濃度越高；煙氣濃度的增長速率隨著距火源增大而放緩，車廂內(nèi)不同位置的煙氣濃度在前期均增長較快，在火災(zāi)發(fā)展后期趨于平緩。

圖5 不同位置煙氣濃度隨時間的變化Fig. 5 Variation of flue gas concentration with time at different positions

圖6為車廂內(nèi)不同位置處煙氣溫度隨時間的變化，其中溫度傳感器THCP18距離火源最近，可以看出，煙氣溫度分布基本與煙氣濃度分布相近，都關(guān)于火源對稱，煙氣距火源越遠溫度越低。造成該現(xiàn)象的主要原因為火源釋放的高溫?zé)煔庠诟×Φ淖饔孟律仙另斉?，受到車廂頂棚的阻擋而形成水平流動的頂棚射流，熱量隨高溫?zé)煔獾牧鲃舆M行傳遞，距離越遠，延遲越大?；鹪凑戏綗煔鉁囟茸罡撸?60 s前可以達到79 ℃。THCP14位于車廂一端遠離座椅處，可以看出距離火源越遠的煙氣溫度越低。

圖6 不同位置溫度隨時間的變化 Fig. 6 Temperature variation with time at different positions

2.3 頂部排煙窗與緊急逃生窗開啟

保持起火車廂兩側(cè)門關(guān)閉，在車廂頂棚中心區(qū)域設(shè)置1.2 m×1.2 m的正方形排煙窗，該排煙窗在SD18煙霧探測器接受到煙霧信號10 s后自動開啟，同時設(shè)置遠離火源側(cè)窗戶為逃生窗，由熱電偶進行監(jiān)控，當(dāng)溫度達到50 ℃時，會自動開啟。通過上述設(shè)置進行模擬。模擬過程如圖7所示。

圖7 車廂縱向溫度切片F(xiàn)ig. 7 Longitudinal temperature slice of carrige

在t=16 s時，也就是在煙霧傳感器響應(yīng)10 s之后，頂棚排煙窗口打開；在16 s到20 s時間段內(nèi)火源上方溫度略有下降，說明頂棚排煙窗口打開釋放了大量煙氣，降低了高溫?zé)煔鈱噹臒彷椛渥饔?。在t=60 s時，車廂溫度持續(xù)上升，說明現(xiàn)在火源燃燒產(chǎn)生煙氣的速率遠大于排放量；在t=87 s時，車廂內(nèi)人員將緊急逃生窗擊碎；t=180 s，由于火源持續(xù)燃燒，火源附近的溫度繼續(xù)上升。相比門窗關(guān)閉條件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)對縱向溫度場影響較小，溫度整體上低于全封閉條件和僅打開車廂內(nèi)部逃生門的溫度，溫度從火源中心縱向衰減，衰減梯度并未因高溫?zé)煔鈴幕鹪锤浇嚧耙绯龆哂谌忾]條件。

煙霧傳感器位置如圖8所示，1#、2#、3#從左到右依次放置在緊急逃生窗附近。

圖8 煙霧傳感器位置Fig. 8 Smoke sensor locations

圖9為傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，在t=87 s左右，3條曲線均出現(xiàn)斷崖式下降趨勢，隨后上升恢復(fù)至穩(wěn)定值。其中2#出現(xiàn)反復(fù)波動，是因該點煙霧傳感器靠近火源和車廂頂棚排煙窗，煙氣產(chǎn)生和排出的速率不對等而導(dǎo)致了波動。打開緊急逃生窗利于人員逃生，但對排煙作用不明顯。兩側(cè)同時打開甚至?xí)驅(qū)α鳟a(chǎn)生轟燃，造成二次災(zāi)害。

圖9 逃生窗附近煙霧傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù) Fig. 9 Monitoring data of smoke sensor near escape windows

2.4 車廂兩側(cè)前室開啟加壓送風(fēng)裝置

加壓送風(fēng)裝置產(chǎn)生的空氣幕不僅能有效阻止發(fā)生火災(zāi)車廂的煙霧波及臨近車廂，還能為人員逃生輸送新鮮空氣，創(chuàng)造逃生通道。依據(jù)《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》(DJG08—88—2006)，選擇2.5 m/s送風(fēng)風(fēng)速在兩端前室進行加壓送風(fēng)，在車廂頂棚開啟1.2 m×1.2 m頂部自然排煙窗[9]。

在車廂兩端前室打開送風(fēng)裝置后，車廂內(nèi)縱向能見度切片對比如圖10所示。前30 s內(nèi)兩工況煙氣擴散差距不大，其中未設(shè)置前室送風(fēng)裝置的情況只有少量煙氣溢出；當(dāng)t=60 s時，未設(shè)置加壓送風(fēng)裝置時，火災(zāi)煙氣開始向下一車廂蔓延，而設(shè)置加壓送風(fēng)裝置的工況下，煙氣向車廂前室的溢散大幅減少，僅能通過車廂上方排煙窗排出，溫度場基本縱向?qū)ΨQ；短暫平衡后，配有加壓送風(fēng)裝置的車廂中由于內(nèi)部構(gòu)造存在差異，火源上下游的風(fēng)流受到的阻力不對等，火源上游到達火源區(qū)域的風(fēng)速逐漸高于火源下游到達火源區(qū)域的風(fēng)速，圖中可以看到少量煙氣向火源下游蔓延，造成了火源右側(cè)煙氣較多的情況，溫度場縱向?qū)ΨQ性遭到破壞。 具有代表性的溫度傳感器數(shù)據(jù)對比如圖11所示。

圖10 有無加壓送風(fēng)裝置能見度切片對比Fig. 10 Comparison of visibility slices with or without pressurized air supply device

圖11 代表性溫度傳感器數(shù)據(jù)對比Fig. 11 Comparison of representative temperature sensors data

THCP20和THCP20*為距離火源最近的傳感器，THCP24、THCP24*則位于火源下游能檢測到煙氣溫度的最遠位置。在沒有打開送風(fēng)裝置火災(zāi)發(fā)生的前30 s內(nèi)，溫度基本關(guān)于縱向?qū)ΨQ，僅在火源附近溫度超過40 ℃。60 s后，頂棚溫度縱向不再對稱，火源上方溫度超過60 ℃，火源的上下游區(qū)域溫度都有所上升。在兩側(cè)前室開啟加壓送風(fēng)裝置后，兩測點溫度顯著降低10 ℃，說明加壓送風(fēng)在加快煙氣排出的同時也帶走了部分煙氣的熱量，通過增加冷氣流將火源附近及下游的溫度降低。

2.5 前室加壓送風(fēng)裝置配合頂棚機械排煙

機械排煙溫度切片對比如圖12所示。在溫度切片中可以看出，火災(zāi)發(fā)生30 s后，火災(zāi)煙氣逐漸向下游蔓延，在使用機械排煙裝置后，對溫度的改變并不明顯，車廂兩端煙氣受前室送風(fēng)裝置影響，沒能將影響范圍擴大至其它車廂。

圖12 有無機械排煙裝置溫度切片對比Fig. 12 Comparison of temperature slice with or without mechanical smoke exhaust device

通過圖13能見度切片對比分析，在t=30 s時有機械排煙裝置因火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣要明顯小于無機械排煙裝置。隨著時間的增加，煙氣產(chǎn)生的量增多，無機械排煙裝置的煙氣不到120 s就下降到了人眼高度以下，而有機械排煙裝置的一側(cè)自60 s后逐漸穩(wěn)定，達到煙氣產(chǎn)生速率與排煙速率的平衡，始終高于平均人眼高度(1.5 m)；在t=360 s時，平均眼高下仍有大部分區(qū)域能見度都大于10 m，此時人員疏散僅需彎腰捂住口鼻即可。前室加壓送風(fēng)裝置與機械排煙裝置的配合能有效提高火災(zāi)發(fā)生時車廂內(nèi)的能見度，同時機械排煙與送風(fēng)裝置增強了氣流流動，可以帶走部分煙氣熱量，使得即便發(fā)生災(zāi)情，也能將車廂火源外區(qū)域的溫度穩(wěn)定在50 ℃左右。

圖13 有無機械排煙裝置能見度切片對比 Fig. 13 Comparison of visibility with or without mechanical smoke exhaust device

圖14是對以上4種方案排煙窗附近的溫度對比，可以看出，在使用前室加壓送風(fēng)裝置后排送煙氣的溫度明顯降低；在開啟機械排煙后，溫度降低幅度較小，說明只打開前室送風(fēng)裝置時，煙氣熱量積聚速率變慢，機械排煙可以提高排煙速率。綜上，選擇開啟機械排煙+前室送風(fēng)裝置方案效果最好。

加壓送風(fēng)形成的空氣幕與機械排煙的聯(lián)合作用能夠?qū)煔廨^好的控制在控?zé)焻^(qū)內(nèi)，在加壓送風(fēng)裝置的設(shè)置過程中，空氣幕噴射角度對于擋煙效果十分重要。文獻[11]研究表明，0°空氣幕噴射角度不能有效阻擋煙氣的蔓延，過大的空氣幕噴射角度又會降低擋煙效果。為找到最優(yōu)的噴射角度，以提高機械排煙的排煙效率，分別對0～20°角進行了測試[12]。能見度數(shù)據(jù)取靠近前室門內(nèi)側(cè)的SD24傳感器，如圖15所示。

圖14 4種方案排煙窗附近溫度對比 Fig. 14 Comparison of temperature near smoke exhaust window of four schemes

圖15 送風(fēng)角對于阻止煙氣蔓延的影響Fig. 15 Influences of air supply angle on preventing smoke spreading

由圖15可知，當(dāng)噴射角度為5°或10°時，煙氣濃度到達峰值比0°時要晚20 s以上，兩條曲線幾乎重合，而當(dāng)噴射角度為20°時，煙氣濃度峰值比0°時有明顯下降，且不存在漏煙現(xiàn)象?？梢?，在加壓送風(fēng)裝置結(jié)合機械排煙的基礎(chǔ)上，改變送風(fēng)角度將會提升控?zé)熜Ч岣邫C械排煙效率。

3 結(jié) 論

(1)車廂全封閉情況下，火災(zāi)可根據(jù)煙氣運動分為不同階段?；馂?zāi)初期增長階段是撲滅火災(zāi)和人員疏散的最佳時期，一旦火災(zāi)達到穩(wěn)定燃燒階段，火源上方溫度逼近100 ℃，人員頭頂處(靜坐時，距地1.2 m)溫度峰值為60 ℃，此階段煙氣層高度下降速度極快，人員的疏散與逃生難度極大。

(2)車廂內(nèi)兩側(cè)車門打開時，煙氣濃度在車廂內(nèi)的通道分布隨著時間的增長而逐漸增大，距火源越近的位置，煙氣濃度越高；煙氣關(guān)于火源基本呈對稱分布，距離火源越遠煙氣濃度增長速度越低；車廂內(nèi)不同位置的煙氣濃度均為前期增長速度較快。

(3)在車廂頂部設(shè)置排煙窗并且緊急逃生窗破碎的情況下，溫度整體上低于全封閉條件和僅打開車廂內(nèi)部逃生門的溫度，溫度的衰減并未因高溫?zé)煔獾囊绯龈哂谌忾]條件，打開緊急逃生窗對于排煙作用并不明顯。

(4)在兩側(cè)前室開啟加壓送風(fēng)裝置后，測點溫度顯著降低10 ℃，說明加壓送風(fēng)在加快煙氣排出的同時也帶走了部分煙氣的熱量，通過增加冷氣流將火源附近及下游的溫度降低，開啟加壓送風(fēng)裝置能為人員提供安全疏散條件。

(5)在使用機械排煙裝置后，溫度改變并不明顯，車廂兩端煙氣受前室送風(fēng)裝置影響，沒能繼續(xù)擴散至其它車廂，在煙氣的排放速率方面，設(shè)置機械排煙要明顯優(yōu)于自然排煙，送風(fēng)角度為20°時，能夠達到更好的控?zé)熜Ч?，可提高機械排煙效率。