高速列车火灾疏散性能研究

田 鑫 苏燕辰 席亚军 王建帆

(1.西南交通大学机械工程学院,610031,成都; 2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,610031,成都∥第一作者,硕士研究生)



高速列车火灾疏散性能研究

田 鑫1苏燕辰1席亚军2王建帆1

(1.西南交通大学机械工程学院,610031,成都; 2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,610031,成都∥第一作者,硕士研究生)

针对高速列车火灾逃生通道狭小的特点,首先利用Pyrosim仿真软件结合真实燃烧试验所得的材料参数,进行了列车的火灾仿真。通过火势扩散程度、温度、热流量和烟层高度变化,确定了火灾状况下列车内乘客的极限逃生时间。然后通过人群疏散演练试验,并用Pathfinder软件对疏散情况仿真建模,确定了人群实际的疏散逃生时间。在列车中部起火后,引导疏散方案与自由疏散方案均能满足仿真所得的极限逃生时间要求,但引导疏散方案的效率更高。 通过对整列列车的轨道面疏散仿真发现,若配有逃生梯的车厢起火,应及时将逃生梯转移,以大幅提高疏散效率。

高速列车; 火灾疏散; 仿真研究

First-author′s address School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,610031,Chengdu,China

高速列车以其舒适、安全、便捷、环保等优势,近年来得到了快速发展,截至2015年底，我国高速列车运营里程突破1.9万km,高居世界第一。高速列车通道狭小,如发生火灾将严重危害车上人员的生命财产安全。文献[1]运用计算流体动力学的方法模拟分析了高速列车在火灾继续运行模式下的人员逃生安全性。文献[2]利用FDS软件探究了火灾危害因素，进而讨论了隧道内列车火灾疏散的安全性。文献[3]探讨了CRH1型高速列车不同火源位置对人员疏散的影响。

本文通过火灾数值仿真进行真实场景的疏散演练,并从对整列列车进行轨道面疏散仿真入手,来综合研究列车突发火灾的疏散问题。首先，通过实际材料的燃烧试验得到相关材料参数,再利用Pyrosim火灾模拟软件建模进行火灾数值模拟,并通过分析温度及烟气等对人员疏散构成威胁的参数来确定可用的疏散时间[2]；然后，通过对真实场景的人员疏散演练试验及疏散仿真模拟,确定实际耗费的疏散时间；最后，结合具体的场景分析,探讨高速列车的火灾疏散性能。

1 高速列车热释放仿真

1.1 Pyrosim软件建模

火灾分析软件FDS广泛应用于火灾模拟分析。Pyrosim是一款用于FDS软件预处理和后处理的图形软件,因其使用便捷,在FDS建模分析中被普遍采用[4-6]。

本文分析所用的车辆模型为CRH2型高速动车组,其车体尺寸与几何参数均与真实车辆相同。材料的热力学参数基于试验所得数据,且所做试验均参照燃烧热释放相关标准制定[7-8]。列车内饰主要材料的热力学参数如表1所示。仿真所采用的火源位于列车中部座椅处。火源面积为0.04 m2,火源的功率为0.02 MW。列车仿真模型及火源位置如图1所示。

表1 列车内饰主要材料的热力学参数

图1 列车仿真模型及火源位置

1.2 热释放仿真结论

根据表1的热力学参数,在Pyrosim中建模，模拟分析火灾扩散趋势、温度、热流量及烟层高度,得到图2～图4。

图2 车厢中部温度变化

图3 右端车门处的热流量变化

图4 车厢中部位置烟层高度变化

根据模拟结果，火源起火200 s后,车厢中部火势加速扩大,并开始引燃周边座椅。火势有蔓延趋势,将对车厢内乘客的生命安全构成威胁。因此在车厢内火势扩散前,乘客需要离开车厢。

从图2可知,当火灾发生226 s后,车厢中部温度呈现指数型上升趋势,迅速超过人体可接受的极限温度(100 ℃),并在475 s左右达到临界稳定温度450 ℃。因此，应在火灾发生后226 s内将乘客疏散离开车厢。

从图3可知,在火灾发生294 s内,端门处的热流量尚基本稳定；但在294 s时端门处热流量突然发生跳变急剧上升,达到对人体构成威胁的阀值(2.5 kW);在火灾发生600 s时车厢内的热流量达到临界值(800 kW左右)，此后才稳定下来。此时，环境已不适合人类的存在,应避免车厢附近仍然有乘客逗留。

从图4可知,在火灾发生72 s后,烟气层的高度跳变至1.5 m,基本处于人体呼吸的位置。烟气中包含的有毒气体(CO等)会对疏散人员构成危害。此时,车厢内的乘客应尽量低身前进,并迅速撤离。

2 疏散演练试验及仿真

2.1 疏散演练试验

2.1.1 疏散演练试验概况

演练模拟选择位于列车中部的7号车厢。疏散按自由疏散和引导疏散两种情况进行。车厢满载乘客共85人。乘客自响应起火开始转移,从两端车门离开车厢。演练使用烟雾弹模拟起火的现场烟气工况。演练示意图见图5。

图5 列车7号车厢(二等座车厢)中部起火疏散演练示意图

本次演练试验参加人员多为男性。试验人员肩宽尺寸平均值为45.02 cm,最大值为55 cm,最小值为39 cm；年龄平均值为28.39岁,最大值为55岁,最小值为21岁。为了确定在列车内人员的行走速度,试验记录了50位参演人员经过7号车厢2个内端门的时间差及这2个内端门之间的距离,进而计算得到人员的行走速度。自由疏散时，人员行走速度呈标准偏差为0.21 m/s、均值为1.52 m/s、最大值为2.35 m/s、最小值为1 m/s的正态分布。引导疏散时，人员行走速度呈标准偏差为0.68 m/s、均值为2.49 m/s、最大值为4.37 m/s、最小值为1.79 m/s的正态分布。可见,引导疏散相比自由疏散能够大幅减少疏散时间。

2.1.2 消防设施配置

列车车厢内合理配置消防设施可对人员的安全疏散起到重要作用。列车全车厢配置了烟火报警系统。发生火灾时车厢内的空调会自动关闭以减弱火势蔓延。车厢之间设置了防火隔离门，其与墙壁接触处的胶条受热会膨胀,能有效减弱烟气扩散。8辆编组的列车在部分车厢的备品柜中放有逃生梯/救援渡板,可向地面及救援列车疏散乘客。

2.1.3 疏散演练效果

从实际的疏散演练可以看出,引导疏散使人群更有秩序,不会发生多人拥挤现象。由于人群在车厢内面对烟气环境会产生急躁心理,出现躁动,进而降低疏散效率,因而相对于引导疏散，自由疏散的响应时间和转移时间均有所增加。可见,当车厢内发生火灾时，对人群进行适当引导更有助于规避风险。具体疏散时间统计见表2。

表2 疏散演练时间统计表

2.2 安全疏散模拟仿真

Pathfinder软件通过对环境、人员属性等参数的设置,使仿真更加逼近真实结论[9]。软件中针对疏散有SFPE和Steering两种模式可以选择,本文采用基于多智能体技术设计的Steering模式作为人员疏散的指导机制进行仿真[10-11]。

仿真假定满载乘客的列车7号车厢(二等座车厢)中部起火。列车紧急制动并搭设逃生梯进行轨道面疏散。疏散人员应尽量远离起火车厢。由于空间狭小及需搭设逃生设施等限制,所以轨道面疏散耗时较长。7号车厢搭载有1架逃生梯。疏散方案分为逃生梯未及时转移至其他车厢(方案一)和及时转移至其他车厢(方案二两种。逃生梯设置方案见图6及图7。为更接近真实状况,仿真采用自由疏散的时间参数,而人员参数(如肩宽、舒适距离及行走速度等)根据疏散演练的数据合理设置。

图6 方案一

图7 方案二

仿真采用的逃生梯参数(几何尺寸及速度参数)为疏散演练时所统计的真实数值。2种方案的轨道面疏散时间仿真结果见表3。根据仿真结果，及时将起火车厢备品柜中的逃生梯转移,可大幅提高疏散效率。

表3 轨道面疏散时间统计

3 结论

通过对列车的火灾数值仿真、实际疏散演练及轨道面疏散仿真的研究,可得到如下结论:

(1) 分析列车起火后的火势扩展、温度变化、烟气层高度变化及热流量变化可知,车内转移时间应尽量控制在火灾发生72 s之内。因为列车座椅起火72 s后,产生的毒害烟气将对人体正常呼吸构成危害。车厢内转移的乘客应尽量低身前进。火灾发生后200～300 s时,车内温度、火势、热流量都会发生大幅提高。此时，人群应尽量远离起火列车。

(2) 通过疏散演练发现,在列车中部起火的情况下,引导疏散与自由疏散均能在烟气及温度对人体构成威胁前使乘客安全撤离车厢。引导疏散方案效率更高。

(3) 针对7号车厢(二等座车厢)起火的情况,通过对列车的轨道面疏散仿真发现,只有3个逃生梯时，全车乘客转移耗时610 s；而4个逃生梯均能使用时，全车乘客转移耗时475 s。可见，在配有逃生梯的车厢起火时,应及时转移逃生梯,以大幅减小疏散时间。

(4) 列车的材料燃烧测试结果及人员的实际疏散演练结果均验证了Pyrosim软件对火灾数值模拟计算的实用性。Pathfinder软件的人员疏散仿真能为乘客疏散逃生提供指导帮助。

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Research on the Evacuation of High-speed Train in Fire Disaster

TIAN Xin,SU Yanchen,XI Yajun，WANG Jianfan

In view of the narrow escape passage on high-speed train when a fire breaks out,the case in running train is simulated based on material parameters obtained by Pyrosim simulation software combined with real combustion test.The ultimate escape time for passengers in case of fire is confirmed by investigating into the changes of fire spreading degree,temperature,heat flow and smoke layer height. Subsequently,the actual evacuation and escape time are confirmed by crowd evacuation drill and test,Pathfinder software is used for simulation modeling on the evacuation.When the fire bereaks out in the middle of the train,both the guided evacuation time and the free evacuation time can meet the limit time through fire numerical simulation,but the efficiency of guided evacuation is higher.By simulating the orbital plane evacuation of the whole train,if the carriage with emergency ladder is on fire,the ladder should be transferred in time to improve the evacuation efficiency substantially.Key words high-speed train; fire evacuation; simulation

U298.4∶U292.91+4

10.16037/j.1007-869x.2017.06.015

2016-04-22)