不同火源功率对列车火灾影响的FDS模拟与分析

马纪军，安超，张丽荣

(中国北车集团 唐山轨道客车有限责任公司，河北 唐山 063035)

0 引言

铁路旅客列车是目前最适合我国国情的重要交通工具.但是由于车厢人员密度大，活动空间小，列车处于高速运动状态，一旦发生火灾，火势发展迅速，燃烧蔓延快，火灾引发的烟气在车厢内会迅速地蔓延，并在短时间内充满整个车厢，会造成重大人员伤亡和经济损失［1］.

目前国内对列车火灾的研究主要集中在烟气分布.1999年中国矿大的杜红兵等采用实物模拟实验定量测试了模拟运行列车车厢内温度场的分布，定性考察了火灾时烟气的流动和蔓延特性.随着FDS方法中的大涡数值模拟在火灾中的广泛运用，许多学者将大涡模拟运用于列车火灾的研究中.重庆大学刘采峰等运用大涡模拟对列车车厢内火灾烟气运动进行了数值模拟研究.

由于列车的特殊结构，支持燃烧所需要的氧气必须通过窗口进入车厢内，受到通风面积限制，列车燃烧功率是有限的.本文采用大涡模拟软件FDS，建立列车某车厢全尺寸模拟，进行不同火源功率的列车火灾模拟研究，探究列车的最大火灾功率以及不同火源功率对列车火灾的影响.

1 FDS简介

1.1 FDS软件应用简介

FDS是美国NIST(National Institute of Standards and Technology)开发的一款用于分析工业尺度火灾的模拟软件.FDS采用了大涡模拟方法，可以得到真实的瞬态流场且精度较高，而且计算工作量小.应用FDS对列车进行火灾模拟可以得到很详细的温度、烟气及各组分气体的分布信息，可以对计算结果进行可视化处理.目前FDS已经解决了大量消防工程中的火灾问题［2］.

FDS作为开源的、专业的火灾模拟软件，在列车火灾模拟中前人做了大量的研究工作，事实证明其在列车火灾模拟中具有很强的现实还原能力［3］.

1.2 FDS 原理

FDS是将模拟空间划分成许多方形单元，以方形单元为基本单位.模拟计算的精度主要与方形单元的数量和大小有关，而方形单元的数量又主要受计算机能力的限制.与其它场景模拟软件一样，FDS也是以N－S偏微分方程为基础进行数值求解，给出较详细的各种物理量(温度、压力、速度、密度、热释放速率、烟雾组分等)的分布.其控制方程如下:

质量守恒方程:

动量守恒方程:

能量守恒方程:

组分守恒方程:

式中，ρ为密度;t为时间(s);u为速度(m/s);p，g为重力加速度(m/s2);f为外力(包括重力)(kg/s2/m);τ为粘性力(kg/s2/m);h为热焓(kJ)；为每单位体积热释放速率(kW/m3);qr为辐射热通量(kW/m2);k为导热系数(W/m/K);T为温度(K);Yl为l组份质量分数;D为扩散系数(m2/s);l为每单位体积 l组份生成率(kg/s/m3)［4］.

2 FDS建模

2.1 网格划分

选取列车中的一辆中间车作为仿真计算模型.计算区域除了包括列车车厢，还要适量的包括一些外流场.在理想状态下，外流场应该是一个无限大的区域，但是这样会导致计算量太大，因此只能设置一个较小的外流场代替，这种近似对计算的结果有一定的影响.考虑到计算量和计算速度，将计算外流场确定为车顶上方计算区域多出0.75 m，左右两边分别多出0.6 m.该外流场对计算误差影响已经很小，计算速度也可以接受.因此模型的计算区域为:(－12.3，12.3，1.022，4.622，－2.25，2.25).

根据计算机硬件条件，将网格划分为12个计算区域.网格划分具体见表1.

Y方向为重力方向，minY=1.022 m，maxZ=4.622 m，cell=24;Z 方向为宽度方向，minZ=－2.25 m，maxZ=2.25 m，cell=30.总网格单元为118 080个.

计算区域的边界设置为开口，模拟开放的外部环境条件.

表1 网格划分

2.2 车厢建模

模型车箱壳体主要使用的材料为铝合金车体和玻璃窗，车内中部为单层卧铺包间布置.将车厢内所有可燃物的燃烧热释放集中在火源上，因此车厢内的装饰物都设置为不可燃烧，火源设置在车箱中部，总火源面积为15 m2，模拟时间均为900 s，为火灾时列车以40 km/h速度运行15 min的时间.根据车厢实际尺寸建立模型如图1，内部结构如图2.

图1 车厢模型

测点布置于包厢走廊中间和包厢中间，人的特征高度为2 m，因此设置测点离地板高度为2 m.走廊上的测点都位于每扇窗子的中间面上.切片布置于逃生窗的中间面，车厢宽度方向中间面和走廊中间面.在高度方向上切片在窗的中间位置和离地板2 m的面上.

3 模拟场景设置

火源设置可燃物为丙烷，火源功率设置为四种，分别是 10、15、20、25 MW.为了得到列车火灾时实际最大火源功率，将通风面积设置为最大，因此在设置所有玻璃窗都在60 s后开启.考虑到列车发生火灾时会采取紧急制动措施，最后将减速运行，参考DIN5510-4的要求，火灾时列车将以40 km/h速度运行15 min的行车能力，故模拟计算时间设为900 s.

模拟中所有火源热释放曲线都设置为t2，为快速火 a=0.046 89［5-6］.

式中，Q为火灾热释放速率(kW);t为时间(s);a为常数，与火灾增长类型有关.

具体场景设置如表2:

表2 火灾场景设置

4 实验结果分析

4.1 火源功率分析

图3 设计功率15 MW时可燃物释放速率曲线

图4 实际火源功率时间曲线图

图3是设置火源功率为15 MW是的可燃物释放曲线，释放曲线严格服从t2，在565.6 s时达到最大，然后一直持续该释放速率直到模拟结束.图4是在不同的设计火源功率下实际火源功率时间曲线图，在火灾开始的前400 s，实际火灾热释放曲线与可燃烧释放曲线相一致，火源功率波动小.400 s以后火源功率有较大波动，当设计火源功率为10、15、20 MW时，实际火源功率波动范围都是在其设计最大火源功率周围;当设计火源功率为25 MW时，实际火源功率波动范围与设计火源功率为20 MW的波动范围基本相同.这表明列车在以40 km/h运行时，所有车窗全部打开，列车所能达到的最大火源功率为20 MW，再增加可燃物量，列车单位时间内的热释放速率不会增加.

4.2 温度分析

火源功率增加对列车火灾的最高温度影响不大，但是对温度分布有一定的影响，图5是离列车地板2 m处的面在900 s时的温度切片，图中各火源功率下的最高温度都可以达到1 000℃，当设计火源功率为10、15、20 MW时最高温度分布在走廊上，而当火源功率为25 MW时最高温度在车厢外面.温度分布与该处的燃烧情况有关，而燃烧情况又与氧气分布有关.当火源设计功率为10、15、20 MW时，实际功率可以达到设计火源功率，这就表明此时的燃烧属于燃料控制燃烧，车厢内的氧气是充足的，而走廊旁边就是窗口，氧气是通过窗口进入车厢的，所有燃烧时的高温区分布在走廊侧.当火源设计功率为25 MW时实际火源功率只有20 MW左右，此时的燃烧是氧气控制燃烧，燃烧过程中产生的大量可燃气体在车厢内没有足够的氧气支持燃烧，因此逸出车厢后在足够氧气支持下又开始燃烧，所以在列车车厢外壁出现了大面积高温区.

图5 不同火源功率在900 s时的温度切片

图6是走廊一端离地面2 m处测得的温度曲线，不同火源功率时曲线在前500 s变化基本相同，火灾稳定以后，温度波动幅度较大.10 MW对应的温度略微高于其它场景，但整体上每条温度曲线差别并不明显.这说明火源功率不同，对车厢内平均温度影响并不明显，车厢内温度在600℃左右.

图6 不同火源功率时温度时间曲线

4.3 烟气浓度分析

由于一节车厢体积较小，因此各处烟气分布没有明显的差别，以走廊一端离地面2 m处测得的烟气浓度曲线代表车厢内各处的烟气分布情况(如图7).不同火源功率时曲线在前500 s变化基本相同，火灾稳定以后，10 MW对应的浓度略微高于其他场景，20 MW对应的浓度略低于其他场景，但整体上浓度波动幅度较大，各条曲线差异并不明显.这说明火源功率不同对车厢内平均烟气浓度影响并不明显，车厢内烟气浓度大约为0.001 2 mol/mol.

图7 不同火源功率时烟气浓度时间曲线

5 结论

通过对卧铺车厢10、15、20、25 MW四种火源功率的大涡模拟，分析了不同设计火源功率下得实际火源功率和不同火源功率对列车内温度和烟气分布的影响，得到以下结论:

(1)当列车运行速度为40 km/h时，在最大通风面积下，火灾过程中最大热释放速率为20 MW;

(2)列车火灾的最高温可以达到1 000℃，当列车内可燃物过多时，为氧气控制燃烧，大量可燃气体在车厢外燃烧，使得车厢外表面温度过高，因此还要考虑列车外表面的隔热性能;

(3)不同火源功率对列车内的平均温度和平均烟气浓度影响不大.

［1］刘采峰，彭岚，刘朝.列车车厢内火灾烟气运动的数值模拟研究［J］.热科学与技术，2003，2(4):353-357.

［2］KEVIN MCGRATTAN.Fire Dynamics Simulator(Version 5)User's Guide［M］.NIST Special Publication，2001:1-186.

［3］LIU YUNLONG，VIVEK APTEpte，NATHAN WHITE，et al.Water mist fire suppression of a train fire［C］.Fire Safety-Sea Road Rail Conference，Melbourne，Australia，2005.

［4］KEVIN MCGRATTAN.Fire Dynamics Simulator(Version 5)Technical Reference Guide［M］.NIST Special Publication，2001:1-3，15-16.

［5］张会冰.不同壁面边界条件对隧道火灾模拟结果的影响［D］.成都:西南交通大学，2007.

［6］李绍平.成都动车存车场火灾危险性数值模拟分析［D］.成都:西南交通大学，2010.