初始引火源燃烧特征对动车车厢轰燃的影响研究*

邢文典，王明年，李 琦

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031;3.四川农业大学 建筑与城乡规划学院，四川 都江堰 611830)

0 引言

中国高速铁路发展迅速，高铁出行以其安全、舒适、快捷的特点，越来越受到人们的青睐[1]。动车载客量大，运行速度快，车辆内部空间封闭，可燃物多且集中，一旦发生火灾，燃烧蔓延迅速，将造成严重的人员伤亡和财产损失[2]。火灾在自然发展状态下一般由局部逐渐向周边蔓延，当条件充足时，在某一瞬间火势急剧增大，温度骤然升高，引起可燃空间内所有可燃物表面同时燃烧，这种转变现象称为轰燃，标志着火灾充分发展的开始[3-4]。轰燃发生前是控制和消灭火灾的关键时期，对于动车组列车，研究火灾车厢的轰燃对于列车火灾防控具有重要意义。

关于列车火灾的研究，欧洲、美国、日本等国家和地区的研究机构先后开展了列车材料特性测试、火灾动力学、火灾风险分析等一系列研究项目[5]。最具代表性的是20世纪90年代初欧洲九国联合开展的EUREKA499项目[6]，进行了包括德国城际特快列车(ICE)和德国城际列车(IC)在内的列车火灾实验。近年来，SP瑞典国家技术研究所又展开了列车全尺寸火灾实验[7-8]。国内方面，2015年公安部天津消防研究所等机构首次开展了地铁车厢燃烧性能实体火灾大型实验，获得了车厢热释放速率、车厢内温度分布、烟气浓度、辐射热等一批基础实验数据。陈俊敏等[9]对CRH1型动车组一等座车厢在不同通风条件时的火灾热释放速率进行了数值模拟研究，并考虑了旅客行李的影响；王建帆等[10]对CRH2型动车组列车主要可燃材料进行了热释放速率试验测试，理论计算了不同通风条件下的车厢轰燃临界热释放速率，并数值模拟得到了车厢轰燃时间和热释放速率；代仲宇等[5]研究了铁路隧道旅客列车火灾热释放速率的确定方法，通过模拟拟合国外列车火灾实验的最高温度数据，确定了普通旅客列车火灾峰值热释放速率为20 MW，动车组列车火灾峰值热释放速率为15 MW。

以上关于列车火灾的研究主要集中在列车燃烧的最大热释放速率上，对于动车组列车火灾的轰燃研究较少。轰燃的主要影响因素包括：火源、燃烧空间结构尺寸、开口通风因子、可燃物燃烧特性和内衬材料热惯性等[11]。影响轰燃的火源因素主要包括：火源的热释放速率、燃烧持续时间、面积和位置等[12]。本文针对初始火源热释放速率及其燃烧持续时间对动车组车厢火灾轰燃的影响展开研究，旨在得出动车组车厢轰燃的初始引火源临界热释放速率、不同初始引火源热释放速率下车厢轰燃时间和不同初始引火源热释放速率下最佳灭火时间。

1 动车组车厢的轰燃判据

热释放速率可以用来判断列车车厢内轰燃是否发生。Thomas[13]提出了轰燃临界热释放速率计算方法：

(1)

其中：q为临界热释放速率，kW；AT为内表面总面积，m2；A0为门窗等通风开口面积，m2；H为门窗等通风开口高度，m。

本次计算模拟列车车厢内表面总面积AT=271 m2，车厢外门通风开口面积A0=7.38 m2，车厢外门通风开口高度H=2.05 m。

根据临界热释放速率计算公式得到，动车组车厢轰燃发生的临界总热释放速率为6 100 kW。

2 动车组车厢结构及材料燃烧特性

2.1 动车组车厢结构特征

选择CRH380BL型动车组二等座车厢为研究对象。车厢尺寸为24.825 m×3.257 m×3.890 m(长×宽×高) 。车厢内部结构布置如图1所示，各结构尺寸、数量等参数见参考文献[14]。

采用火灾动力学三维模拟软件FDS建立了动车组车厢火灾模型，考虑最不利火灾位置，初始引火源设置在车厢中部地板附近，尺寸为1 m×1 m；车厢通风开口为开启车厢4扇外门。参考文献[15-16]计算模型网格，经计算划分尺寸为0.1 m。车厢火灾燃烧计算模型如图2所示。

图1 CRH380BL型动车组二等座车厢内部结构Fig.1 The internal structure of the second-class carriage of CRH380BL

图2 车厢火灾计算模型Fig.2 The simulation model of the carriage

2.2 动车组车厢材料燃烧性能参数

动车组车厢内的可燃物主要包括座椅、行李架、车窗、内饰等，其主要使用材料为PVC、聚碳酸酯、铝合金、聚氨酯泡沫和纺织物，内装饰材料中型材及地板面主要是铝型材和铝板材[17]。各种可燃材料的燃烧性能参数见表1和图3(a)～(c)[9]。

3 动车组车厢火灾轰燃研究

3.1 基于车厢轰燃的初始引火源热释放速率临界值确定

假设初始引火源持续燃烧，通过改变初始引火源热释放速率，明确车厢内发生轰燃的临界初始引火源热释放速率值。模拟火灾燃烧时间为30 min，初始引火源热释放速率取10种，分别为100，150，160，200，300，400，500，600，800和1 000 kW。

表1 动车组车厢内可燃材料燃烧性能参数Table 1 The combustion performance parameters of combustible materials in the EMU carriage

图3 动车组车厢内可燃材料热释放速率—时间曲线Fig.3 Heat release rate-time curve of the combustible materials in the EMU carriage

以初始引火源热释放速率400 kW为例，动车组车厢内燃烧过程如图4所示。

图4 初始引火源400 kW热释放速率车厢内燃烧过程Fig.4 The combustion process in the carriage with the 400 kW heat release rate of the initial ignition source

由图4可知，初始引火源的热释放速率为400 kW，模拟106 s时，初始引火源附近前后2排的座椅开始燃烧；模拟673 s时，燃烧蔓延到初始引火源附近前后4排座椅；模拟920 s时，车门通风开口火焰喷出，可以认为此时车厢内已发生轰燃；模拟977 s时，火灾蔓延至整个车厢。

以车厢内总热释放速率达到6 100 kW作为动车组车厢轰燃的判据，不同热释放速率初始引火源燃烧时车厢内总热释放速率随时间变化曲线如图5所示。

由图5可知：当初始引火源热释放速率≤150 kW时，动车组列车车厢内峰值热释放速率<临界热释放速率6 100 kW，未发生轰燃；当初始引火源热释放速率≥160 kW时，动车组列车车厢内峰值热释放速率>临界热释放速率6 100 kW，发生轰燃。且6 100 kW处于车厢内总热释放速率急剧增长阶段，符合发生轰燃现象的特点。

因此，造成车厢轰燃的初始引火源热释放速率临界值确定为160 kW，即初始引火源热释放速率低于160 kW时，车厢火灾不会发生轰燃。

3.2 基于初始引火源热释放速率的车厢轰燃时间确定

随着初始引火源热释放速率的增大，动车组列车车厢发生轰燃的时间变短。提取不同热释放速率初始引火源引起动车组车厢轰燃的时间，如表2所示。

图5 不同热释放速率初始引火源动车组车厢内热释放速率—时间曲线Fig.5 Heat release rate-time curve in the EMU carriage with different heat release rate initial ignition sources

表2 不同热释放速率初始引火源车厢轰燃时间Table 2 Flashover time of different heat release rate initial ignition sources

绘制初始引火源热释放速率与车厢轰燃时间关系拟合曲线如图6所示。

图6 初始引火源热释放速率与车厢轰燃时间关系曲线Fig.6 The relationship between the heat release rate of initial ignition source and flashover time

由图6可知，动车组列车车厢轰燃时间与初始引火源热释放速率之间存在乘幂函数关系。关系式为：

Th=186 012HRR-0.902

(2)

式中：HRR为初始引火源热释放速率，kW；Th为车厢轰燃时间，s。

3.3 基于车厢轰燃的初始引火源燃烧持续时间确定

实际情况中，燃烧一段时间后，由于燃烧物质耗尽，初始引火源将熄灭，车厢顶部附近热烟气层积聚的热量会减弱，进而影响车厢轰燃的发生。因此，明确初始引火源的最短燃烧持续时间是控制火灾规模扩大的关键。

初始引火源热释放速率取160，200，300，400，500，600，800和1 000 kW共8种，分别计算得到了车厢发生轰燃时，各初始引火源热释放速率情境下对应的燃烧持续时间最小值。以初始引火源热释放速率值为400 kW为例，初始引火源燃烧持续时间与车厢内总热释放速率关系曲线如图7所示。

由图7可知，400 kW初始引火源燃烧持续时间在70，74 s时，车厢内总热释放速率未达到临界热释放速率6 100 kW，未引起车厢内轰燃；初始引火源燃烧持续时间在76，80 s时，车厢内总热释放速率达到超过临界热释放速率6 100 kW，车厢内发生轰燃。

不同热释放速率初始引火源燃烧持续时间对车厢轰燃的影响如表3所示。

表3 不同热释放速率初始引火源燃烧持续时间对车厢轰燃的影响Table 3 The effect of different heat release rate initial ignition sources with different heating time on flashover

图7 400 kW初始引火源不同燃烧持续时间车厢内总热释放速率变化曲线Fig.7 The carriage heat release rate curve of 400kW initial ignition source in different heating time

续表3

由可表3可知，随着初始引火源热释放速率的增大，引起动车组列车车厢发生轰燃所需的初始引火源燃烧持续时间变短。

初始引火源热释放速率与临界燃烧持续时间关系曲线，如图8所示。

图8 初始引火源热释放速率与临界燃烧持续时间关系曲线Fig.8 The relationship between the heat release rate of initial ignition source and the critical heating time

由图8可知，引起动车组列车车厢轰燃的初始引火源，其热释放速率与临界燃烧持续时间之间同样存在乘幂函数关系。关系式为：

Tr=2×109HRR-2.777

(3)

式中：HRR为初始引火源热释放速率，kW；Tr为初始引火源临界燃烧持续时间，s。

初始引火源临界燃烧持续时间可以理解为将火灾发展分为2个阶段：在临界燃烧持续时间Tr前，初始引火源对火灾发展起决定性作用，初始火源周围的小部分可燃物被引燃，其燃烧产生的热量还很小，扑灭火源后，燃烧的可燃物释放的热量不足以维持和扩大火势，不能够引起轰燃；在临界燃烧持续时间Tr后，初始引火源引燃的可燃物增多，其释放的热量对于整个车厢内热量的增加而言开始占主导，即使初始火源熄灭，火势依然会继续发展增大，随着可燃物燃烧数量和范围的扩大，最终引起轰燃。

这样初始引火源临界燃烧持续时间可以作为灭火的最佳临界时间。在临界燃烧持续时间前及时扑灭初始火源可以防止动车组列车车厢轰燃的发生。

4 动车组列车火源危险性分析

高速铁路动车组列车发生火灾的初始火源主要来自旅客的行李物品，常见物品包括行李箱、衣物、手提电脑、杂志报纸书籍等。

根据文献[18]的研究成果，本文汇总得到上述物品的火灾热释放速率特性，如表4所示。

表4 旅客行李物品火灾热释放速率特性Table 4 Heat release rate characteristics of passenger luggage

根据表4汇总的动车组列车常见初始火源的火灾热释放速率特性得到：单一质小的火源较难引起列车车厢的轰燃，例如少量衣服、一个装满衣服的行李箱等，其产生的热释放速率都小于引起车厢轰燃的最小初始引火源热释放速率160 kW；物品的放置方式对产生的热释放速率具有很大影响，例如10件悬挂的衬衫可以产生410 kW的峰值热释放速率，而10件折叠的衬衫只能产生35 kW的峰值热释放速率；电子类产品燃烧可以产生较大的热释放速率，例如一台笔记本电脑的峰值热释放速率可以达到400 kW；纸质产品由于易燃易蔓延的特性，大量堆积在一起可以产生较大的峰值热释放速率，例如15 kg的杂志报纸书籍燃烧产生了3 500 kW的峰值热释放速率，足以引起列车车厢的轰燃。

根据动车组列车的实际旅客行李物品携带特点——行李箱连续布置于行李架上、衣物不会出现悬挂状态、不会出现大量堆积纸质产品等，为防止和预防动车组列车车厢发生轰燃，需要注意以下两点：虽然一个装满衣物的行李箱火源不足以引起车厢轰燃，但因为行李箱连续排列的特点，火源很容易扩大，当一个行李箱着火后应及时采取措施防止引燃相邻行李箱；电子类产品如手提电脑起火后应格外注意并及时处理。

5 结论

1)高速铁路动车组车厢发生轰燃的初始引火源临界热释放速率为160 kW。

2)初始引火源热释放速率越大，引起动车组车厢轰燃的时间越短。

3)初始引火源热释放速率越大，引起动车组车厢轰燃所需的初始引火源燃烧持续时间越短，。

4)高速铁路动车组车厢内常见的主要火源来自旅客的行李物品，其燃烧产生的热释放速率一般较小，不足以引起车厢内的轰燃，但应防止电子类产品着火以及火源的进一步蔓延。

[1] 卢春房.中国高速铁路工程质量管理创新与实践[J].中国铁道科学,2015,36(1):1-10.

LU Chunfang. Innovation and practice for engineering quality management of high speed railway in China[J]. China Railway Science, 2015, 36(1): 1-10.

[2] 杨天佑.高速列车火灾烟气防治研究[D]. 成都：西南交通大学, 2011.

[3] 杜文峰.消防燃烧学[M]. 北京: 中国人民公安大学出版社, 1997.

[4] DRYSDALE D. An introduction to fire dynamics[M]. New York: John Wiley & Sons,Inc., 2011.

[5] 代仲宇,于丽,王明年,等.铁路隧道旅客列车火灾热释放速率的确定方法[J]. 铁道标准设计, 2017,61(1):55-59.

DAI Zhongyu, YU Li, WANG Mingnian, et al. Method to determine heat release rate of passenger train in railway tunnel in case of fire[J]. Railway Standard Design, 2017, 61(1):55-59.

[6] STUDIENSGESELLSCHAFT E V.Fires in Transport Tunnels: Report on Full-Scale Tests[R]. Düsseldorf, Germany,1995.

[7] LONERMARK A, LINDSTROM J, LI Y Z, et al. Full-scale fire tests with a commuter train in a tunnel[M]. Sweden：SP Technical Research Institute of Sweden, 2012.

[8] HADJISOPHOCLEOUS G, LEE DH, PARK W H. Full-scale experiments for heat release rate measurements of railcar fires[J]. International Symposium on Tunnel Safety and Security(ISTSS), 2012(2): 457-466.

[9] 陈俊敏,姚小林,阎刚,等.CRH_1型动车组一等座车厢火源热释放速率研究[J].中国安全生产科学技术,2014,10(1):5-10.

CHEN Junmin, YAO Xiaolin, YAN Gang, et al. Study on heat release rate of first class compartment of CRH1EMU train[J]. Journal of Safety Science and Technology,2014,10(1):5-10.

[10] 王建帆,苏燕辰.高速列车材料测试及轰燃研究[J].中国测试,2016,42(2):127-131.

WANG Jianfan, SU Yanchen. Materials testing and flashover research in high-speed trains[J]. China Measurement & Test,2016,42(2):127-131.

[11] 宋虎,杨立中,范维澄.火源和壁面材料对轰燃影响的数值模拟[J].自然灾害学报,2002(1):91-96.

SONG Hu, YANG Lizhong,, FAN Weicheng. Numerical modeling of effect of fire source and wall materials on flashover[J]. Journal of Natural Disasters,2002(1):91-96.

[12] 陆时正,蔡炜,陈爱平.火源对单室轰燃影响的模拟研究[J].消防科学与技术,2010,29(1):8-12.

LU Shizheng, CAI Wei, CHEN Aiping. Numerical simulation of effect of ignition source on flashover in a single room[J]. Fire Science and Technology,2010,29(1):8-12.

[13] THOMAS P H. Testing products and materials for their contribution to flashover in rooms[J].Fire and Materials,1981,5(3):103-111.

[14] 孙帮成. 和谐号CRH动车组技术系列：CRH380BL型动车组[M].北京：中国铁道出版社,2014.

[15] KEVIN M, RANDALL M, SIMO H, et al. Fire dynamics simulator (Version 5) user’s guide[R]. Washington: U.S. Government Printing Office,2007.

[16] HILL K, DREISBACH J, JOGLAR F，Jet al. Verification and validation of selected fire models for nuclear power plant applications[R]. Washington, DC: United States Nuclear Regulatory Commission, 2007.

[17] CHEN J M, YAO X L, LI S P. Study on the influence of ventilation condition on the heat release rate of the CRH passenger rail car[J]. Procedia Engineering,2013,52(4):447-453.

[18] MORGAN J，HURLEY.SFPE Handbook of Fire Protection Engineering(Fifth Edition)[M]. Germany: Springer, 2016.