图1 系列化标准地铁列车平面图
Published:10 March 2022,
Received:11 February 2022
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With the development of society and economy, subway vehicles have also become an important infrastructure of modern transportation in China. The heat release rate is an important parameter in the fire protection design, fire safety assessment and tunnel ventilation system design of rail transit vehicles. However, the existing research on the fire combustion characteristics of subway trains cannot reflect the influence of the main components in the vehicle on the fire heat release rate. In order to effectively provide guidance for subway train structure and fire protection design, a numerical calculation model of vehicle fire was established based on the actual structure of serialized Chinese standard metro trains and the combustion characteristic parameters of non-metallic combustible materials in the vehicle were measured by material combustion experiments. Numerical calculation method was used to calculate the fire spread process in the car when the main components of the car were made of materials with different combustion characteristics, and the effects of the four main components of the roof, side walls, seats and floor on the fire heat release rate of the car were compared and analyzed. The research shows that the influence of the main components in the subway car on the heat release rate is related to the order of fire spread and the spatial position of the components, and the influence degree is the roof, side wall, seat and floor.
随着我国交通基础设施的不断完善,地铁已成为国内大中型城市的主要公共交通工具。由于地铁列车大多在隧道内运行,并且车厢内人员密度高,一旦发生火灾就很可能造成重大人员伤亡和财产损失。据统计[
通过数值模拟方法,基于实际车辆内部装饰材料的燃烧特性,利用火灾动力学软件Fire Dynamics Simulator(FDS)构建全尺寸地铁车辆数值计算模型,并对车辆火灾进行数值模拟,以此研究地铁车辆主要部件对火灾热释放速率的影响。
本文以系列化标准地铁车辆为模拟对象,车辆尺寸为21.88 m×3.08 m×2.76 m,座椅采用纵向靠墙布置,每侧各设置5个车门和4个车窗。系列化标准地铁列车平面图如
图1 系列化标准地铁列车平面图
Fig. 1 Serialized standard subway train plan
图2 系列化标准地铁列车数值计算模型
Fig. 2 Serialized standard metro train numerical calculation model
根据国内外各学者对汽油规格、流淌面积和热释放速率关系的研究结果,为使地铁车辆充分燃烧,最终确定试验火源为人为纵火方式汽油燃烧,火源功率为1.4 MW[
图3 火源位置示意图
Fig. 3 Schematic diagram of fire source location
列车在燃烧过程中,车厢内热烟气会与车厢周围新鲜空气相互交换,因此计算区域是影响列车火灾数值计算的一个重要因素。为了保证数值计算的稳定性和计算结果的准确性,本次模拟的计算区域将着火车厢所在隧道空间前后各延长20 m,具体设置如
图4 计算区域设置
Fig. 4 Computing domain settings
火灾特征直径的估计公式[
(1) |
式中:D*为火源特征直径;
为了保证数值计算结果的准确性,最终确定着火车厢计算区域网格尺寸为0.08 m×0.08 m×0.08 m,非着火车厢计算区域网格尺寸为0.16 m×0.16 m×0.16 m。
研究模拟列车停靠在隧道内燃烧,初始温度为20 ℃,压力为1个标准大气压。车身四周采用Inert边界,前后为Open边界。
图5 边界条件示意图
Fig. 5 Schematic diagram of boundary conditions
由于FDS中提供了2种模拟固体材料燃烧过程的方法——热解反应法和单位面积热释放(HRRPUA)法。热解反应法采用Arrhenius模型模拟材料热解反应,需要利用热重分析仪对各种可燃材料进行测试,工作量大和复杂程度高。HRRPUA法需要利用锥形量热仪测得材料单位面积热释放速率曲线、产烟量、CO产量等相关数据,相对简单,应用更普遍,目前国内外常采用该方法进行火灾数值计算。本文采用HRRPUA法模拟固体材料燃烧过程,在模型建立过程中主要考虑顶板、侧墙、地板、座椅等主要可燃表面,忽略面积较小、对客室火灾发展影响较小的可燃表面。数值模拟所需的材料单位面积热释放速率由锥形量热仪测试得到。计算工况设计如
材料设置说明 | 替换材料的峰值热释放速率/(kW·m-2) |
---|---|
标准工况 | |
顶板材料1 | 254.8 |
顶板材料2 | 172.6 |
侧墙材料1 | 165.0 |
侧墙材料2 | 83.3 |
地板材料1 | 139.0 |
地板材料2 | 86.3 |
座椅材料1 | 109.0 |
内顶板是地铁车辆的主要内部装饰材料。本文选取了3种常见的地铁内顶板材料进行模拟计算,分别命名为标准顶板材料、顶板材料1和顶板材料2。3种材料的热释放速率(HRR)曲线如
图6 不同顶板材料热释放速率曲线
Fig. 6 Heat release rate curve of different roof materials
图7 不同顶板材料下的列车火灾热释放速率
Fig.7 Heat release rate of train fire under different roof materials
采用不同顶板材料的列车火灾热释放增长率如
图8 不同顶板材料下的列车火灾热释放速率增长率
Fig. 8 Growth rate of heat release rate of train fires under different roof materials
车厢顶板温度是衡量车内火灾蔓延过程的重要指标,
图9 不同顶板材料下的车厢顶板温度
Fig. 9 Temperature of car roof under different roof materials
侧墙板是地铁车辆侧墙的主要部件。本文选取了3种常见的地铁车辆侧墙材料,分别命名为标准侧墙材料、侧墙材料1和侧墙材料2。3种材料的热释放速率曲线如
图10 不同侧墙材料热释放速率曲线
Fig. 10 Heat release rate curves of different side wall materials
图11 不同侧墙材料下的列车火灾热释放速率
Fig. 11 Heat release rate of train fires under different side wall materials
地板是地铁车厢内部面积最大的内部装饰材料。本文选取了3种常见的地板材料,分别为标准地板材料、地板材料1和地板材料2。3种材料的热释放速率曲线如
图12 不同地板材料热释放速率曲线
Fig. 12 Heat release rate curves of different floor materials
图13 不同地板材料下的列车火灾热释放速率
Fig. 13 Heat release rate of train fire under different floor materials
对于座椅材料,本文共选取了2种常见材料,分别为标准座椅材料和座椅材料1。2种材料的热释放速率曲线如
图14 不同座椅材料热释放速率曲线
Fig. 14 Heat release rate curves of different seat materials
图15 不同座椅材料下的列车火灾热释放速率
Fig. 15 Heat release rate of train fire under different seat materials
通过对不同部件在系列化标准地铁车厢火灾中的蔓延过程进行分析可知:燃烧产生的热烟气在浮升力的作用下上升并在顶板下方堆积,顶板温度快速升高,随后被点燃;随着热烟气的逐渐堆积下沉,火焰蔓延至侧墙板。顶板处的高温烟气沿列车纵向蔓延时逐步引燃顶板的其余部分,待顶板被完全引燃后,座椅和地板的温度在顶板热辐射作用下开始上升,而座椅离顶板更近,温度升高更快,因此先于地板被点燃。
通过以上数值计算结果的对比分析可得,顶板和侧墙对地铁车辆火灾热释放速率的贡献大于地板和座椅,其中地板的影响最小。当顶板的热释放速率峰值降低为原来的78.4%时,总热释放速率下降了11%;当侧墙热释放速率降低为原来的75.7%时,总热释放速率下降了17.5%。但是当顶板的热释放速率峰值降为原来的52.9%时,总热释放速率下降了36.5%;而侧墙的峰值热释放速率降低为原来的38.2%时,总热释放率下降了26.0%。综合上述分析可得,当进一步降低顶板材料的热释放速率峰值时,火灾总热释放速率的下降率明显大于侧墙材料,且有效延迟了到达峰值的时间。因此,主要部件材料的影响程度由大到小分别为顶板、侧墙、座椅和地板。
通过数值计算的方法,对系列化标准地铁主要部件使用不同材料时的火灾发展过程进行了对比,通过分析可得出以下结论:
①通过对不同部件在系列化标准地铁车厢火灾中的燃烧特性影响分析可知:地铁列车车厢主要部件对火灾热释放速率的影响程度由大到小依次为顶板、侧墙、座椅、地板。
②在火灾发展过程中,由于热烟气的浮升力作用,顶板最先被点燃,随后侧墙被引燃,座椅和地板在顶板的热辐射作用下最后才被点燃,因此顶板材料的燃烧特性是车厢火灾发展蔓延过程的关键。
③通过对地铁车厢火灾蔓延过程的分析可知,地铁车厢内主要部件对热释放速率的影响程度与火灾蔓延顺序有关,车厢内空间位置高的部件对热释放速率的影响更大。
系列化标准地铁列车火灾是一个非常复杂的燃烧过程,火灾蔓延过程受诸多因素的影响,本文的研究结果仅基于车厢内的火灾场景,分析车内主要部件对火灾热释放速率的影响,研究成果可为系列化标准地铁列车防火设计和火险防控提供依据。
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