基于PyroSim的高速动车火灾分析

2014-09-18梁君海林建辉刘金柱

重庆理工大学学报(自然科学) 2014年10期

梁君海，李霞，林建辉，李莉，刘金柱

(1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 266111;2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都 610031)

动车组列车因其便捷、稳定、舒适，已成为备受世界各国铁路运输部门青睐的交通运输方式。动车组列车上采用的新防火技术与难燃阻燃材料增强了车身的防火性能，有效地降低了火源产生的概率，减少了可燃物的存在。但由于一些人为因素，以及外来火源和外来可燃易燃物等，仍可能增大车厢发生火灾的隐患。由于高速列车具有流动性、密闭性、人员集中性等特点，一旦发生火灾，火势蔓延将会非常迅速，在短时间所产生的大量燃烧热、烟气、有毒气体等将会很快蔓延至整个车厢。因此，对高速列车进行火灾的分析研究有着积极的意义［1－4］。

1 PyroSim火灾模拟软件

PyroSim火灾模拟软件是一款专用于消防动态仿真模拟的软件，它是在火灾模拟软件FDS的基础上发展起来的［5－6］。FDS 建模很复杂，是通过文本编写程序来完成的，尤其是对于布置探温、探烟、探毒气探头位置的各种参数，其建模工作量非常大，很容易出错。PyroSim火灾模拟软件最大的特点是提供了三维图形化前处理和可视化编辑的功能，能够边编辑边查看所建模型，把用户从以前FDS建模的枯燥复杂的命令行中解放了出来。图1为它的模块组成结构。

图1 跟踪试验系统的模块组成结构

2 火灾模型的建立及仿真

2.1 列车物理模型设置

实际的火灾发生和燃烧过程比较复杂，由于现有的计算方法及条件有限，必须进行一定的简化。因此，根据列车的二维图进行简化建模，所得模型如图2所示。各相关材料的单位面积热释放速率按照标准ISO 5660。由锥形量热仪测得，材料的热力学性质参数如表2所示。目前国内外相关的实验和研究表明:火灾从开始至充分燃烧，火源热释放速率大致与时间t的平方成正比。因此，将火灾场景的火源功率一般设定为以 t2速度增长。

图2 车厢简化模型

表2 材料的热力学性质参数

2.2 数学模型

2.2.1 基本方程

PyroSim以低马赫数的LES方程式来描述受火灾浮力驱动的气体流动现象，其方程式如下:

PyroSim将温度、密度与压力区分为空间平均项与振动项，其形式如下:

式(1)和(2)中，ρ为气体密度。

烟气流动的的控制方程采用低马赫数形式的三维非稳态Navier-Stokes方程的近似形式。

质量守恒方程:

组分守恒方程:

动量守恒方程:

能量守恒方程:

气体状态方程:

由式(2)、(5)、(6)联立求解，可得计算区域的速度、温度、密度以及压力等。

2.2.2 燃烧模型

火灾过程几乎都是湍流燃烧过程，火灾中的燃烧可能是扩散燃烧，也可能是预混燃烧。在火灾动力学模拟中，采用的湍流燃烧模型有混合组分燃烧模型和有限化学反应速度模型。混合组分燃烧模型假定系统为燃烧单步不可逆反应的简单化学反应系统，即燃烧反应可以简单表示为

如果只关心火灾过程的热效应，该模型是简单实用的;若需要研究了解火灾过程中污染物和有毒有害气体的产生，则需要引入包含这些物质产生机理和速率的有限化学反应模型。对于一般碳氢化合物燃烧反应可表示为:

相应的反应速率为

2.2.3 模型场景设计及测点布置

可以以起火位置作为参照设计不同的火灾场景，并可以设置门窗的开合状况，以此来比较不同位置着火和不同门窗开启的情况下的火灾危害程度。由于需要测定列车模型发生火灾时的温度变化、能见度、热释放速率等参数，这就需要在软件中布置不同的测点。一般来说，通过设置热电偶来测定固定位置的温度变化;也可以通过设置slice面来观察指定平面的温度变化情况;同时，可以通过改变热电偶的属性，来测定烟雾能见度。热电偶的布置如图3所示。