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火源位置对高速列车车厢火灾烟气蔓延影响研究

2022-10-10亮,朱

交通工程 2022年3期
关键词:行李架火源尾部

王 亮,朱 杰

(1.四川师范大学工学院,成都 610101;2.四川省公共火灾防治技术重点实验室,成都 610101)

0 引言

随着我国高速铁路不断发展,高速列车成为人们出行主要工具之一.高铁车厢属于受限空间,加之尚未配备一套完整防排烟体系,一旦发生火灾,火灾烟气会在短时间内充满车厢,极易造成群死群伤和重大财产损失.现有新风系统下,研究高速列车车厢火灾烟气蔓延影响具重要意义.

国内外学者关于高速列车火灾的研究,集中于通过试验与数值模拟研究车厢热释放速率,主要可燃物火灾学参数,但针对火源位置对车厢火灾烟气蔓延影响研究鲜见报道.加拿大卡尔顿大学于2012年搭建了能测试整节车厢热释放速率装置,测得城际列车车厢火源功率为32 MW[1].朱杰等[2-5]基于大型锥形仪,对列车主要可燃物进行大量全尺寸试验,提出CRH1型列车二等车厢最大热释放速率为37 MW.湛瑞宇[6]分析不同边界条件下车厢内可燃物热分解特性及产物,得到车厢可燃材料的相关火灾学参数.王升[7]研究了高温情况下车窗玻璃破裂对列车火灾的影响.

本文以CRH380D型高速列车二等车厢为研究对象,运用FDS数值模拟,研究9个火源位置,车厢内烟气浓度等变化情况,分析火灾烟气蔓延规律,研究火源位置变动对车厢内火灾烟气迁移影响.

1 模型构建与实施

1.1 工程概况及物理模型

本文以CRH380D为研究对象,通过大量实地调研最终确定单节车厢长26.6 m,宽3.358 m,地板距车厢顶板高度为3 m,其中客舱区域地板与车厢顶板间天花板高2.3 m;车窗共9个其中逃生窗4个;车厢定员85人.车厢主视图见图1,FDS模型图见图2:

图1 车厢主视图

图2 车厢模型图

1.1.1 模型参数选择

通过分析,确定该列车主要可燃物为座椅、行李,其热释放速率及车厢内主要装饰材料热工参数,参照朱杰等[2-5]“基于全尺寸火灾实验的高速列车火源功率确定分析”.

由于未配备防排烟体系,在紧急情况下为确保乘客有足够时间留在安全环境中,应急通风装置能在30 min内提供与正常情况下的新风[8].其中列车新风量、应急通风量分别为1 680 m3/h与1 500 m3/h[8].

1.1.2 火源及测点、切片布置

火源位置设置于客舱前部、中部、尾部共9个;探测器纵向以人眼特征高度1.8 m及天花板2.3 m为基准均匀布置;温度切片布置于走廊中部,详见图3、4:

图3 火源位置布置

图4 测点及切片布置

1.2 火源功率确定

火灾由初期增长至轰然阶段,热释放速率大体以t2指数规律增长,Heskestad[9]指出可用式(1)表示:

Q=αt2

(1)

式中,Q为火源功率(kW);α为火灾增长系数(kW/s2);t为点火后的时间(s).

进过理论分析,确定增长系数α取0.043,同时实验模拟设计火灾中不考虑火灾衰减阶段,0~210 s采用为t2增长,此后火源功率保持不变,最终确定火源功率为1 896.3 kW.数学表达式见式(2):

(2)

1.3 边界条件与网格划分

正常情况下CRH380D型高速列车二等舱,舱内温度为20~28 ℃,设定初始温度为26 ℃,环境初始压力为101.325 kPa.设定模拟时间为600 s,模拟网格由网格独立性计算设定.

网格尺寸的划分直接影响到之后模拟精度问题,经NIST验证,当量纲为一数D*/δx,在4~16时,FDS模拟精度较高其中,δx是名义网格尺寸,D*是火源特征直径,计算见式(3),火源特征直径与网格尺寸约成10倍关系[10-12].

(3)

式中,Q为火源热释放速率,取1 896.3 kW;ρa为空气密度,取1.2 kg/m3;cp为空气比热容,取1 kJ/(kg·K);Ta为环境温度取299k;g为重力加速度,取9.8 m/s2.带入计算得出火源特征直径约为1.24 m,以此推算出网格尺寸范围为0.077 5~0.31 m.最终网格尺寸选取为0.1 m满足网格独立性要求.

1.4 模拟工况设置

由于火灾难以预测,为更好地达到模拟效果,在模型中走廊(意在模拟蓄意纵火)、座椅(意在模拟电器起火)、行李架(包含大量易燃纺织物)的不同位置设置共9个不同着火点.具体工况见表1:

表1 工况设置

2 实验结果与讨论

2.1 车厢前部火源模拟结果

如图5所示,为车厢前部走廊、座椅、行李架起火,车厢前、中、后部烟气浓度变化情况与车厢内距火源不同距离烟气层下降至1.8 m时间:

图5 车厢前部火灾,车厢内烟气浓度变化情况与烟气层下降至1.8 m时间

结果显示,车厢前部起火,从烟气浓度看,300 s左右车厢内烟气浓度达到峰值,其中走廊火灾较座椅与行李架火灾烟气浓度峰值更高,差值接近40%;从烟气层下降速度看,前部出口位置烟气层高度平均在60 s内下降至1.8 m,尾部出口烟气层高度平均在100 s内下降至1.8 m处,其中走廊与座椅火灾明显更快,火灾危险性更大.

导致原因可能是走廊起火,可同时向走廊两侧座椅蔓延,座椅再引燃行李架,蔓延方向更开放,短时间内引燃的可燃物更多,后续针对列车火灾防控可重点关注.

2.2 车厢中部火源模拟结果:

中部火源的位置可起到一个很好参考作用,对比车厢火灾前后半差异,如图6所示为车厢中部走廊、座椅、行李架起火,距火源不同距离下,车厢内温度变化情况与距火源不同距离烟气层下降至1.8 m时间:

图6 车厢中火灾,车厢内烟气浓度变化情况与距火源不同距离烟气层下降至1.8 m时间

结果显示,车厢中部起火,从温度上看,平均150 s内,车厢内1.8 m处烟气温度便达到60 ℃,其中走廊与座椅火灾车厢内温度增长速度更快,行李架火灾增长阶段时间最长550 s左右依旧处于增长阶段;从烟气层下降速度看,前部出口位置烟气层高度平均在110 s内下降至1.8 m,尾部出口烟气层高度平均在140 s内下降至1.8 m处,可发现走廊与座椅火灾烟气层下降速度更快,火灾危险性更大.

导致原因可能为,走廊与座椅火灾,从空间上看大体为自下而上,向四周蔓延,可在更短时间内将更多可燃物引燃,对比行李架火灾,自上而下,不利于温度传导,从而有行李架火灾增长阶段时间更长的结果;对于烟气层下降速度,由于尾部设置排烟口,尾部烟气聚集得到一定改善,下降速度较慢,前部无排烟口,烟气聚集较严重,烟气层下降速度较快.

2.3 车厢尾部火灾模拟结果

如图5所示为车厢尾部走廊、座椅、行李架起火,车厢前、中、后部温烟气浓度变化情况与距火源不同距离烟气层下降至1.8 m时间:

结果显示,车厢尾部起火,从烟气浓度增长看,行李架火灾车厢内烟气浓度达到峰值时间较走廊与座椅火灾快接近100 s;从烟气层下降速度看,走廊与座椅火灾,90 s内车厢尾部出口烟气层便下降至1.8 m,明显快于行李架火灾,车厢前部出口烟气层高度平均在150 s内下降至1.8 m,可发现走廊与座椅火灾危险性更大.

导致原因可能是行李的材料易燃且蔓延速度快,行李架为敞放式无隔板结构,行李架火灾烟气与火焰羽流距离较近,烟气温度较高,可长时间滞留在空中,从而有行李架火灾车厢内烟气弄度上升速度快,但烟气层下降速度低的结果.

3 结束语

通过理论分析结合实地调研CRH380D型高速列车二等车厢几何尺寸,主要热工参数,运用数值模拟,研究列车九个火源位置下,车厢内烟气温度场、浓度场,分析火灾烟气蔓延规律得处以下结论:

图7 车厢中火灾,车厢内烟气浓度变化情况与距火源不同距离烟气层下降至1.8 m时间

1)车厢前部火灾,从烟气浓度看,走廊火灾车厢内烟气浓度峰值最高;从烟气层下降速度看,100 s内前部与尾部出口烟气层高度均下降至1.8 m处,其中走廊与座椅火灾烟气层下降速度更快,火灾危险性更大.

2)车厢中部火灾,从温度增长上看,走廊与座椅火灾,车厢内温度增长速度较快;从烟气层下降速度看,140 s内前部与尾部出口烟气层高度均下降至1.8 m处,其中走廊与座椅火灾烟气层下降速度更快,火灾危险性更大.

3)车厢尾部火灾,从烟气浓度增长看,行李架火灾车厢内烟气浓度上升速度最快;从烟气层下降速度看,150 s内前部与尾部出口烟气层高度均下降至1.8 m处,其中走廊与座椅火灾烟气层下降速度更快,火灾危险性更大.

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