多区域地铁车厢火灾烟气蔓延特性的数值仿真研究

陈 斯，苏钊颐，陶 涛，周昕怡，张 永

（1.广州地铁集团有限公司 运营事业部，广州 510335；2. 南京理工大学 自动化学院，南京 210094）

随着城市地铁建设的迅猛发展，如何保障地铁安全可靠运营受到广泛关注。地铁隧道空间相对封闭，火灾救援比较困难，易造成严重的财产损失和人员伤亡[1]。因此，对地铁车厢火灾烟气蔓延特性的研究对于保障乘客的安全性和可靠性尤为重要。

针对地铁火灾烟气蔓延特性的研究，目前主流的研究方法包括全尺寸试验、小尺寸模型实验以及数值模拟3 种[2]。Duck 等人在一列静止列车上进行全尺寸燃烧试验，研究整个火灾过程中热释放速率变化情况，并考虑通风条件改变时，热释放速率的相应变化[3]。王少华以车厢内部火源随列车继续运动的场景为研究对象，探讨隧道中运动列车车厢内部火灾的烟气蔓延规律，分析列车运行速度等因素对烟气运动过程的影响[4]。莫善军等人采用Phoenics 软件对列车车厢火灾引发的烟气流动进行数值模拟，分析紧急状况下烟气和温度变化对列车人员疏散的影响[5]。范腾毅等人采用1：20 缩尺模型，在不同风口尺寸、不同火源热释放速率以及不同排烟量等条件下，研究地铁长区间隧道火灾双点排烟的顶部烟气温度分布特性与烟气流动特性[6]。易欣等人基于Froude 相似性原理，采用1：10 小尺寸实验模型，研究火源功率、纵向通风速度对隧道区间火灾时温度特性的影响[7]。谢洪生详细分析地铁火灾特点，计算地铁火灾时疏散时间[8]。Rickard 通过全尺寸试验，分析地铁列车隧道火灾的烟气特性[9]。李真利用数值模拟的方法分析地铁火灾的烟气蔓延规律和人员疏散情况，提出合理的人员疏散应急方案，并利用虚拟现实技术进行动态仿真，验证其可行性[10]。

本文基于数值模拟方法，对广州地铁3 号线B型车车厢建立全尺寸模型，研究不同区域的火源在静止车厢燃烧的火灾蔓延特性规律，提出可用安全疏散时间（ASET，Available Safety Egress Time）的评价指标，分析不同车厢区域发生火灾的风险性，为地铁车厢的消防安全设计提供参考。

1 ASET

1.1 火灾发展过程

火灾的发展可大致分为初始增长、充分发展和衰弱熄灭3 个阶段[10]。初始增长阶段是指大部分固体可燃物在建筑内局部空间引燃，并逐渐失去控制的阶段；充分发展阶段是指更多的可燃物被持续引燃，火灾由室内局部燃烧转变为全面燃烧的过程；衰减熄灭阶段是指室内可燃物燃烧80%后火势逐渐减小的阶段。

1.2 ASET的判定指标

ASET 可表示为乘客从危险区成功疏散到安全区的允许时间，主要由火灾本身的性质决定，例如火源功率、火灾增长速率、火源位置等。同时，燃烧环境也有一定的影响，例如空气中的氧气含量、建筑几何结构等。常用的火灾危险判断指标包括车厢能见度、温度、烟气层高度等。《地铁设计规范》（GB50157-2013）中指出，当人眼特征高度处（Z=2.0 m）的车厢能见度小于10 m 时，会引起人员不适；当乘客所处空间温度高于60℃时，会限制乘客的自由呼吸；若车厢烟气层低于人眼特征高度将导致人员发生危险甚至死亡[11]。

综上所述，选取车厢平均能见度、温度和烟气层高度作为ASET 的判定指标，见表1。

表1 ASET的判定指标

ASET 为人眼可视高度处以上3 项指标到达临界值的时间中最短的时间，具体表述为：

其中，t1为能见度指标时间，即能见度为10 m的时间；t2为温度指标时间，即温度为60℃的时间；t3为烟气层高度指标时间，即烟气层高度最初低于人眼特征高度的时间。

2 模型建立

采用火灾动态模拟器（FDS）软件，建立地铁列车火灾模型。

2.1 地铁列车火灾模型设置

（1）列车车厢初始条件及边界设置

车厢模型的环境温度设置为25℃，边界压力值设置为1 标准大气压，单侧车门和车厢端部边界设置为开放边界，其余设置为用户自定义型边界。

（2）火源设置

国内大部分地铁车厢内装材料表面都附着阻燃材料，降低了由内装材料自燃引发车厢火灾的可能。但人为纵火仍然可能导致地铁火灾。为此，将火源设置为人为纵火，火源功率大致在0.468 MW ～1.74 MW 之间[10]，故将火源功率设置为1 000 kW。

（3）火源增长速率设置

火源增长速率是指火灾从发展初期到稳定燃烧阶段的发展速率，对火灾的燃烧特性有一定影响。为研究最危险情况下火灾烟气蔓延特性，将火源增长速率设置为超快速增长，取值为0.187 6。

（4）测点设置

在列车中心位置人眼可视高度（Y=1.5 m，Z=2.0 m）处设置热电偶，检测该点温度，并每间隔5 m 放置一个热电偶和火灾烟雾探测器，检测探测点的能见度和烟气层高度数据。具体设置如图1 所示。

（5）网格尺寸设置

合理的网格尺度既可满足计算精度的要求，又

图1 测点布置正视图

可节约计算成本。FDS 软件用户指南给出的网格尺寸估值方法为：

其中：Q为火灾热释放速率，单位为：kW；ρ∞为环境密度，单位为：kg/m3；cp为定压比热，单位为：kJ/(kg·k)；T∞为环境温度，单位为：K；g为重力加速度，单位为：m/s2。

网格尺寸的推荐值为0.06 D* ～0.12 D*，按0.1 D*计算得到的网格尺寸约为0.1 m，可以满足大多数火源功率下火灾仿真的计算要求，仿真结果与试验结果能较好地吻合。

2.2 地铁列车车厢火源场景设置

为研究火源位置对地铁列车车厢燃烧特性的影响，根据单一变量实验原则，设置3 种车厢火源，见表2。

表2 车厢火源类型设置表

将第3 节车厢尾部功率为1 000 kw 的火源作为一般典型火源，计算其ASET，其它火源ASET 的计算方法与一般典型火源相同。

3 仿真分析

3.1 典型火灾场景仿真分析

选取表2 中的火源类型3 作为一般典型火灾场景进行分析，求解其可用安全疏散时间。其它火源的可用安全疏散时间的计算方法与之相同。

（1）能见度分析

车厢各测点能见度变化如图2 所示，其中，X代表能见度。

由图2 可知，车厢的能见度变化非常明显，当烟气未蔓延至测点位置时，车厢的能见度为正常可视距离30 m；当烟气蔓延至测点位置时，车厢能见度迅速降低至0 m；靠近火源位置处的能见度下降速率比远离火源位置处的能见度下降速度更快。

图2 火灾为火源类型3时测点能见度变化曲线

车厢内火灾能见度切面正视图变化如图3 所示。由图3 可知，火灾发展初期烟气迅速蔓延整节车厢，50 s 时第3 节车厢能见度迅速降低，100 s 后烟气蔓延至全部车厢，第1 节车厢烟气分层现象明显，这是因为夹杂着大量焦炭颗粒的浓烟温度非常高，在热空气膨胀的向上升力的作用下大量烟气在车厢顶棚上方聚集，同时冷空气下沉导致烟气分层现象的出现。

图3 火灾为火源类型3时能见度车厢切面正视图变化规律

各测点能见度平均值变化曲线如图4 所示，根据能见度指标求解该火灾场景的能见度指标时间t1=156 s。

（2）温度分布分析

车厢内温度切面正视图的温度变化如图5 所示。

图4 车厢内各测点能见度平均值变化曲线

图5 车厢内温度切面正视图变化规律

由图5 可知，前50 s 时火源所在车厢内温度急剧升高，温度形成明显的分层。100 s 时火源从车厢顶棚向第2 节车厢蔓延，第3 节车厢顶棚温度持续上升，几乎全部呈现高温的红色，同时第2 节车厢的上层空气温度迅速升高，高达100℃以上，高温烟气沿着车厢内壁向第1 节车厢持续蔓延。150 s ～350 s时段内，车厢内温度还是呈缓慢上升趋势。

绘制车厢各测点温度变化曲线如图6 所示。由图6 可知，车厢内所有测点的数据均呈现先增大后减小的变化趋势，并在400 s 后维持一定的温度。将车厢内各测点位置的温度数据求取平均值，得到车厢内部平均温度的变化情况，车厢内各测点温度平均值变化如图7 所示。

观察图7 可发现，由于火源功率较小，且地铁车厢座椅材料大多使用金属材料，车厢阻燃性能较好，0 ～50 s 时火灾发展初始阶段车厢内平均温度缓慢，50 s ～250 s 车厢温度开始显著上升，250 s 后车厢内温度稳定在80℃；求解得车厢温度指标时间t2=187 s。

图6 热电偶测点温度随时间变化曲线

图7 车厢内各测点温度平均值变化曲线

（3）烟气层高度分析

各测点烟气层高度变化如图8 所示。

图8 烟气层高度变化曲线

由图8 可知，在烟气未达到探测点时，探测点的烟气层高度恒为车厢顶棚高度，当烟气蔓延至测点位置，烟气层高度会迅速下降至1.5 m 左右，并且保持一定高度动态变化。平均烟气层高度变化如图9 所示。

图9 平均烟气层高度变化曲线

由图9 可知，平均烟气层高度呈阶梯状下降，烟气层高度指标时间为t3=217 s。

表3 火灾为火源类型3时指标时间对照表

表3 为这3 项指标时间的汇总，可知能见度指标时间最短，即火灾为火源类型3 时，ASET 取3 者之中最短时间值，为156 s。

3.2 火源不同位置对燃烧特性影响

地铁车厢空间狭长，因供氧量和可燃物的不同，不同位置火源的燃烧特性可能有所差异。选取3 种火灾典型场景进行燃烧特性对比分析：第1 节车厢前部、第2 节车厢中部和第3 节车厢后部。

（1）能见度分析

各测点能见度的平均值变化如图10 所示。由图10 可知，第2 节车厢发生火灾时，能见度下降最快。这说明火源设置在列车中部时，烟气蔓延较火源在列车端部蔓延更为迅速；当火源设置在第2 节车厢中部时，能见度指标时间较端部火灾要短近60 s。

图10 车厢内能见度变化曲线

由车厢内能见度指标时间对照表4 可知，第2 节车厢火灾时，能见度指标时间最短，为172 s，比第1 节车厢发生火灾时的指标时间短59 s，比第3 节车厢发生火灾时的指标时间短77 s；第1 节车厢火灾与第3 节车厢火灾的能见度指标时间差别不大；由此可说明，车厢中部火灾比车厢端部火灾的危险性更大。（2）温度分析

表4 车厢内能见度指标时间对照表

车厢内平均温度变化如图11 所示。

图11 不同火源位置温度变化曲线

由图11 可知，前100 s 为火灾发展初期，车厢温度升高缓慢；100 s ～300 s 时段内车厢内温度上升明显；300 s 之后，温度保持动态平衡。车厢中部发生火灾时，车厢内温度升高更快，车厢内稳定温度更高。这是由于车厢中部火灾高温烟气的蔓延路径比车厢端部火灾的路径要少，损失的热量更少，导致车厢内平均温度升温更快。

通过观察不同位置火灾的温度到达人体不可接受温度（60℃及以上）的时间，得到各火源类型的温度指标时间，见表5。

表5 不同火源位置的温度指标时间对照表

由表5 可知，第2 节车厢火灾的温度指标时间比第1 节车厢火灾的温度指标时间短8 s，比第3 节车厢火灾的温度指标时间短24 s，车厢中部火灾的危险性更高；

（3）烟气层高度分析

各火灾烟雾探测器测点的平均烟气层高度随时间变化的情况如图12 所示。

图12 不同火源位置温度变化曲线

由图12 可知，火源位置不同会导致火灾烟气蔓延特性有所不同。当火源在第2 节车厢中部时，火灾烟气从列车中部蔓延至两端的时间比车厢端部蔓延至全局的时间短。各火源位置的烟气层高度指标时间见表6，可知第2 节车厢火灾的烟气层高度指标时间比其它位置车厢火灾的烟气层高度指标时间更短。

表6 不同火源位置的烟气层高度指标时间对照表

不同火源位置火灾的可用安全疏散时间见表7，可知第2 节车厢火灾的可用安全疏散时间远小于第1节车厢和第3 节车厢火灾。由此可得出结论，车厢中部火灾比车厢端部火灾更危险。

表7 不同火源位置的可用安全疏散时间对照表

4 结束语

建立广州地铁3 号线B 型车前3 节车厢全尺寸比例仿真模型，分析不同区域火灾场景下的烟气蔓延特性，并求解不同火源位置的ASET。研究结果表明，在能见度、温度和烟气层高度这3 项指标中，能见度指标最短，可更为迅速地反映地铁车厢火灾的发展情况；同时，地铁第2 节车厢中部火灾的ASET小于其它2 种火源位置时的ASET，即车厢中部火灾的危险性高于车厢端部火灾。