不同通风条件下车厢火灾烟气运动的数值模拟研究

覃道枞 郭兵 周健 陈小开

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

由于列车车厢空间狭长且乘客相对集中，一旦发生火灾很容易造成火灾事故。列车车厢内一般有大量聚合物材料，燃烧时产生的烟气含有大量的有毒气体会对人员造成伤害。有相关研究结果表明，在火灾中死于烟气的窒息作用的死亡者占死亡总数很大一部分[1]。因此，对车厢内烟气运动的研究有着重大意义。

近年来，相关学者对车厢内部火灾烟气运动的研究取得了一定的成果。盛良薇[2]通过CFD软件模拟了列车一整节车厢在发生火灾时不同工况下的烟气扩散流动，分析了烟源位置、发烟量、送风方式、送风量以及列车门的启闭对车厢烟气流场的影响，并通过实验对CFD模拟结果进行了验证。S S LI等[3]利用FDS软件预测了列车车厢发生火灾时空气速度矢量、温度分布、烟气层界面高度。余明高等[1]利用FDS软件模拟不同排烟方式下CRH2A动车车厢烟气流动，通过对比分析车厢内烟气温度、烟气浓度等参数的变化规律，得到车厢内最佳的排烟方式。王盟[4]利用CFD模拟讨论了车厢发生火灾时不同的火源位置、火源产烟量、火源面积大小、空调送风口等因素对烟气场和温度场分布的影响，并验证了其模拟方法的正确性。

综上所述，目前针对车厢火灾的研究大多是对单一排烟模式下的车厢烟气流动进行研究，对于不同通风模式下的烟气流动研究较少。因此，本文以某列车二等座车厢为研究对象，利用FDS软件对静止情况下不同通风工况下列车车厢内烟气流动进行模拟，对比分析不同通风条件工况下车厢温度、能见度变化规律，讨论火灾时不同通风条件下车厢烟气的流动。

1 数学模型

列车车厢内火灾时所产生的烟气会受到密度差的影响流动与扩散，可近似视做不可压缩气体流动。因此烟气流动的控制方程满足三维非稳态N-S方程，即列车车厢火灾烟气流动符合基本守恒方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。

(1)质量守恒方程：

(2)动量守恒方程：

(3)能量守恒方程：

2 模型建立及通风工况

2.1 物理模型

车厢内部尺寸约为25.8 m×3.2 m×2.4 m，内设18排(2+3)座椅，考虑到FDS软件的建模能力以及精确度要求，对车厢模型进行了适当的简化，列车简化后的几何模型如图1所示。

(a)车厢平面

2.2 火源功率及位置

列车车厢发生火灾时的火源功率与车厢内部的可燃物材料有关，我国动车组列车车厢内的可燃物较多，主要有：座椅、旅客行李、窗帘等，其使用的主要材料为PVC(聚氯乙烯)、尼龙、羊毛、丝绸等[4]。火灾事故起火原因存在着很大的不确定性。本文主要考虑座椅被点燃时的特性引火源，其座椅材料为聚氨酯，火源功率采用t2发展的非稳态火源，最大热释放功率为1 MW的快速增长火源，火源大小为0.4 m×0.5 m，火源位置位于第9排3人座椅的外侧座椅表面。

2.3 计算网格设置

网格划分对计算结果有重要影响，网格划分的越精细，模拟结果就越精确，但同时也会增加模拟的计算量。网格敏感性分析表明，当网格尺寸处在特征火源直径的1/4～1/16较为合适，特征火源直径D*的计算公式如下[5]：

式中，Q为火源热释放速率，kW；cp为空气的定压比热，取1 kJ/(kg·K)；ρ为空气密度，取1.2 kg/m；T为环境初始温度，取293 K；g为重力加速度，取9.81 m/s2。

当火源功率为1 MW时，计算可得为0.92，则对应的网格尺寸范围为0.057～0.231 m，通过综合考虑建模方便以及计算量要求，本文网格尺寸采用0.1 m进行计算。

2.4 初始条件及通风工况

假定车厢内初始环境温度为20 ℃，初始压强为标准大气压(101 325 Pa)，烟气的初始浓度为0，且车厢内各处温度和相对压强相同。本文将车厢火灾计算的时间设置为180 s[3]。火灾模拟通风场景设置如表1。

表1 火灾通风工况

3 模拟结果与分析

火灾发生时，烟气的流动常常伴随着温度的变化。温度的高低直接影响着人员疏散及人体各项生理机能的运行，随温度升高，人体耐受时间的极限越短。参考美国NFPA130的要求[6]，火灾发生时，2 m以下的温度最大不能超过60 ℃。人员逃生过程中，影响人员疏散的另一个重要因素是能见度，能见度直接影响人员的视觉，能见度越大，人员疏散时看得越清晰，本文以10 m的能见度为参考标准。为了研究不同通风条件下的列车车厢的火灾发展情况，本文采用车厢纵向截面的温度分布及能见度分布进行观察和分析。

3.1 温度分布

图2～图4分别为不同通风条件下纵向截面的温度分布云图。火灾发生后，烟气在烟羽效应和热压作用下在车厢顶部积聚并水平移动，此时车厢内烟气出现了明显的分层现象且沿火源中心呈对称分布。从图 2可以看出，30 s时，火灾烟气已经蔓延至车厢顶棚，车厢的整体温度还没有变化，仅火源正上方顶棚处温度出现升高现象，火源上方的顶棚烟气温度已达到60 ℃；随着到达顶棚的烟气越来越多，60 s时，烟气已经向车厢两端水平移动，此时烟气层贴附在车厢顶棚，厚度较小；90 时，由于车厢两端座椅出入口位置存在一定高度的垂直挡板，烟气层开始聚集，烟气层厚度逐渐增加，较少的烟气流向车厢两端；120 s时，烟气蔓延至列车两侧的外门高度处并流出室外，此时的烟气层高度进一步下降，温度上升很快，温度在60 ℃的分界面已下降到座椅高度位置；150 s时，烟气层厚度已经趋于稳定，不再随时间变化而变化，这是由于此时烟气通过车厢两端外门流出与产生达到了相对平衡。从图3可以看出，当火源附近两侧外窗开启的火灾发展情况与工况1基本相同。

通过对比图 2和图 3分析可知，60 s以前，工况2时的烟气层温度比工况1时的温度要略小，造成原因是由于火灾初期烟气产生相对较少，且开启的外窗离火源较近，烟气很快就能够到达外窗流出室外；但随着时间的推移，烟气增加并水平移动，外窗的作用逐渐减小，60 s后烟气层厚度开始增加。随着火源的热释放功率增大，90 s后，工况2时火源附近上方处的温度相比工况1时的温度高，工况2的车厢烟气层在温度60℃以上的区域比工况1时的略低，造成原因是外窗的开启有利于座椅的燃烧。

图2 工况1车厢纵向截面(y=1.6 m)不同时刻温度分布云图

图3 工况2车厢纵向截面(y=1.6 m)不同时刻温度分布云图

从图 4可以看出，机械排烟的作用下，车厢温度上升相对较慢，30 s时，车厢顶棚温度还没有达到60 ℃，产生的烟气通过排烟口可以及时地排出到室外；60 s后，烟气主要向车厢前侧水平移动，车厢后侧的烟气大部分通过排烟口排出室外，此时，热烟气并不是沿火源中心对称分布；随着时间的推移烟气在顶棚聚集，90 s时，烟气蔓延到两端座椅的顶棚位置并开始下降，此时，排烟口附近的位置出现了“排烟风洞”，即排烟口的排烟速度过高，导致有车厢下层的新鲜空气也被直接吸入排烟口排出室外，此时，排烟口下方的烟气层出现厚度为零，即烟气层发生了“抽漏”现象。120 s时，烟气层厚度逐渐增大，车厢前端的烟气已经蔓延到前端的外门处，排烟口处开始有烟气聚集，但排烟口仍有凹陷；随着烟气产生的速率继续增大，更多的烟气聚集在排烟口，150 s时，烟气层已经完全覆盖排烟口。180 s时烟气温度层厚度已经下降到座椅高度。

图4 工况3车厢纵向截面(y=1.6 m)不同时刻温度分布云图

3.2 能见度分布

图 5～图 7为不同通风条件下纵向截面的能见度分布云图。工况1与工况2由于烟气扩散基本相同，能见度分布规律也基本相同。30 s时，由于烟气厚度还很小，车厢能见度大于10 m的高度基本还处在人员身高以上，基本不影响人员疏散；60 s时，随着烟气层高度的下降，能见度大于10 m的高度已经在座椅高度左右；90 s时，能见度大于10 m已经下降到座椅的高度，座椅高度处即约人员弯腰时的高度基本处在6 m以下，此时，对人员疏散有一定影响。120 s后，整个车厢的能见度开始降低，到150 s时，工况1与工况2时整个车厢的能见度已经小于3 m以下。通过对比图 5～图 7可以看出，90 s前，由于火源功率还较小，排风口的排烟速率大于火源烟气速率，排烟口对排烟的影响较大，可以及时的排出车厢中的烟气，工况3情况下车厢内能见度分布要好于工况1与工况2，90 s后，随着火源功率的增长，排烟速率继续增大，排烟口的作用逐渐变小，150 s时整个车厢的能见度已小于3 m，能见度分布不如工况1与工况2。

图5 工况1车厢纵向截面(y=1.6 m)不同时刻能见度分布云图

图6 工况2车厢纵向截面(y=1.6 m)不同时刻能见度分布云图

图7 工况3车厢纵向截面(y=1.6 m)不同时刻能见度分布云图

3.3 火源正上方温度比较

图 8为各工况情况下火源正上方(z=1.6 m高度)温度比较，从图8可以看出，100 s前，火源上方的温度大小为工况1>工况2>工况3，且工况1与工况2温度相差较小，但从100 s后，3种工况情况下火源上方温度相差不明显。

图8 各工况火源正上方(z=1.6 m高度)温度比较

4 结论

列车车厢火灾是一种较为复杂的情况，在数值模拟过程中对其进行了大量的简化处理。对车厢内温度、能见度分布以及火源上方温度进行测量分析，可以很直观的了解不同通风条件下车厢内的烟气流动及温度分布。

(1)通过对比工况1与工况2情况下温度与能见度分布分析可知，火灾初期时，火源附近两侧外窗的开启相比仅两端门开启时有利于烟气能较早地排出，使车厢温度上升较慢。但随着时间的推移，车厢烟气增加并沿车厢两端水平移动，外窗的排烟作用逐渐减小。因此，火灾初期时，火源附近外窗开启对烟气排出作用较大。

(2)在机械排烟的情况下，热烟气并不是沿火源中心对称分布。在火灾初期，火灾产生的烟气速率较小时，产生的烟气可以通过机械排烟及时地排出到室外，车厢温度上升较慢且有利于车厢能见度的下降。但随着时间的推移，到了火灾后期，产生烟气的速率继续增大，机械排烟的速率小于产烟速率时，更多的烟气聚集在排烟口，机械排烟的作用也越来越小。

(3)比较3种工况下火源上方温度，火灾初期，机械排烟对降低火源附近温度作用最大，其次是火源附近的外窗，仅两端外门开启时作用最小。由此可以得出，当火灾发生后，采用机械排烟时作用最大，且应尽快开启。