基于FDS的高铁站多功能候车座椅火灾辐射分析

杨 蔚，马 益，顾 满

(上海富士特消防安全咨询有限公司，上海 200032)

0 引言

高铁站作为城市的交通枢纽，有着人员流动密度大、火灾危险性大等特点[1]，消防安全受到广泛关注[2]。随着高铁站的设计越来越人性化，为给旅客提供更舒适的候车体验，多功能候车座椅在高铁站候车厅得到广泛应用[3]。多功能候车座椅是一种带有按摩功能的座椅，更容易引发大规模火灾，且多功能座椅体积较大[4]，火灾发生后的疏散过程，可能会阻挡车站内人员的疏散路线，影响车站内的人员疏散。

本文以某高铁站布置的多功能按摩座椅为例，对高铁站内多功能候车座椅整个火灾过程进行深入分析，为高铁站内候车座椅的布置间距及消防安全管理提供依据。

1 整组多功能候车座椅火灾数值模拟

1.1 FDS数值模拟方法

火灾动力学模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator)是基于场模拟的火灾模拟软件，重点对燃烧场景内的热烟气流动和热量的传输进行计算[5]。通过FDS软件，将计算区域分为大量的控制体，通过数值计算分析求解各个小单位的关系式，由计算机求得控制体的各个参数值，从而对火灾的燃烧场景进行较为细致的描述。

1.2 模型建立

本文选用某高铁站所布置的整组多功能候车座椅为研究对象，共12座。座椅包括靠背、坐垫、脚垫、扶手、底座等部分。座椅底座设置成惰性材料，两侧扶手和外壳设置成经调整后的PVC(即ABS固体)，其余的设置为FOAM聚氨酯泡沫，并带有0.01 m厚度的PU皮革层。

1.3 模拟设置

根据多功能候车座椅检测报告，多功能候车座椅最大热释放速率为84.43 kW。因此本文选取84.43 kW作为本次模拟的预估火源热释放速率。在y方向设置一排热电偶和热辐射测点用于测量温度和热辐射衰减，设置若干切片观察温度分布情况。

2 模拟结果分析

2.1 热释放速率分析

图1为整组多功能候车座椅同时被点燃时的火灾热释放速率(HRR)变化曲线。可以看出，整组多功能候车座椅同时被点燃时，HRR发展前期类似于t2火趋势发展，最大HRR为1 020 kW，与整组多功能候车座椅同时燃烧时的最大HRR=12×84.43 kW=1 013.16 kW接近，因此用该简化模型分析整组多功能候车座椅火灾外场辐射情况是合理的。

图1 整组多功能候车座椅同时被点燃的HRR变化曲线

2.2 温度和热辐射衰减分析

本文选取了数量最多的整组12座、位于靠近高铁站候车室入口西侧位置的多功能候车座椅作为温度和热辐射衰减的评估对象，位置布置如图2所示。其中南北整组间距2.50 m、东西整组间距2.50 m。以整组12座多功能候车座椅中心为原点，建立坐标轴，探究火灾发生时的温度和热辐射衰减。

图2 多功能候车座椅布置和坐标设定

图3表示不同位置D处的温度和热辐射随时间变化曲线。可以看出，不同位置D处的温度和热辐射的变化趋势与HRR变化曲线相似，均表现为先增大后稳定，最终降低的趋势。同时可以看出，D值越大，温度和热辐射越小。从图 3中可以看出，稳定阶段内的温度和热辐射最高，因此本文选取稳定阶段的温度、热辐射平均值作为位置D处的温度、热辐射特征值，如图 4所示。不难发现，温度和热辐射随位置D呈指数衰减，其中距离火源最近的测点温度最高约为250 ℃，温度在3.5 m处衰减至环境温度。

图3 不同位置D处热辐射和温度随时间变化曲线

图4 外场热辐射和温度衰减曲线

事实上，温度、热辐射以及可燃物表面接收热量的时间共同决定了可燃物是否可以被点燃。考虑最不利原则，本文认为可燃物表面在一定时间内所接收的辐射热流达到临界辐射热流强度时就会被引燃。本文选用的多功能候车座椅，主要由皮革、绒布、耐磨布、海绵、吹塑料、注塑料等材料组成，因此本文采用聚亚氨酯材料临界辐射热流强度7 kW/m2作为引燃相邻座椅的指标。图 4中Φ*=7 kW/m2的直线与外场热辐射曲线的交点，即为临界安全距离D*，可以得到临界安全距离D*约为0.65 m。

3 整组多功能候车座椅热辐射理论计算

火源外场热辐射理论计算公式如下[6]：

(1)

对于一个单一的火焰，如果火焰尺寸较小，可将火焰辐射模型简化为一个点源辐射，而本文整组多功能候车座椅长度约为4.7 m，热辐射衰减的研究区域为0～5.0 m，多功能候车座椅总长度约等于研究区域距离，因此如果将整组多功能候车座椅看作一个整体的点源辐射是不合理的。相反的，单一多功能候车座椅尺寸为0.775 m，宽0.630 m，高1.080 m，远小于5.0 m，可简化为一个点源辐射模型。基于此，本文对整组多功能候车座椅火灾进行简化处理，并作出以下简化假设。①设整组多功能候车座椅是由N个单一多功能候车座椅组成，即组成了N个点源辐射。②假设可燃物接收辐射位置是一个微元面，且该微元面正对着第一个着火座椅。③假设多功能候车座椅火源之间不会互相影响，即单一多功能候车座椅的热释放速率恒定。

基于上述假设，各单一多功能候车座椅均会对外场某个微元面产生热辐射的影响，如图5所示。

图5 整组多功能候车座椅火灾热辐射线性叠加计算原理

根据图5，可得到简化后的线性加合模型公式，用于计算可燃物微元表面所接收的总热辐射：

(2)

其中x为目标可燃物距离着火座椅质心距离的正切值(注意该公式假设了微元面的位置)。i代表火蔓延至第i个多功能候车座椅序数，也表示有2i-1个多功能候车座椅同时处于充分燃烧阶段。

考虑到最不利原则，本文忽略正面多功能候车座椅对背面多功能候车座椅的热辐射遮挡作用，设计了公式估计不考虑遮挡的辐射，即假设整组多功能候车座椅均处于充分燃烧阶段，并作出以下简化假设。①两个背靠背的着火多功能候车座椅可视作同一个辐射点源，其质心位置为两个多功能候车座椅的中心。②两个背靠背着火多功能候车座椅的火源热释放速率为单一多功能候车座椅的2倍。③正面多功能候车座椅不会遮挡背面多功能候车座椅的热辐射。

使用叠加公式(2)，带入数据得到：

(3)

利用MATLAB进行叠加计算，得到结果如图6所示，可以看出，整组多功能候车座椅均处于充分燃烧阶段时，临界引燃距离 D*约为0.7 m。

图6 不同距离微元面接收的辐射热计算(不考虑遮挡)

4 结论

本文以某高铁站多功能候车座椅为例，选择数量最多的整组12座新增多功能候车座椅，建立了FDS模型，并简化了材料热解反应，分析了整组多功能候车座椅的热释放速率变化情况，探究了整组多功能候车座椅均处于充分燃烧阶段时对外场温度和热辐射的影响，对整组多功能候车座椅的临界引燃距离进行计算，主要结论如下。

1)利用FDS得出的整组候车座椅的热释放速率与理论值相近，不同位置D处的温度和热辐射的变化趋势与HRR变化曲线相似，均表现为先增大后稳定，最终降低的趋势。

2)考虑最不利原则，通过FDS仿真模拟得出整组12座多功能候车座椅均处于充分燃烧阶段时的临界引燃距离D*约为0.65 m。

3)根据最不利原则，忽略了正面多功能候车座椅遮挡作用，通过理论计算可得出整组12座多功能候车座椅均处于充分燃烧阶段时的临界引燃距离D*为0.7 m。