高速列車熱釋放速率模型的驗證

李霞，林建輝

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

高速列車熱釋放速率模型的驗證

李霞，林建輝

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

為了驗證高速列車熱釋放速率模型的可靠性及有效性，基于ISO 9705標準對由列車材料組成的樣件模型進行了燃燒實驗，并通過相應的軟件仿真對其進行驗證，比較實驗結果與模擬結果的吻合度。結果表明:Pyrosim軟件仿真對于模擬高速列車燃燒的熱釋放速率有很好的吻合度。

高速列車;ISO 9705標準;Pyrosim模擬;熱釋放速率模型

長期以來，國外對列車安全非常重視，特別是對于列車防火安全問題投入了大量的人力物力進行研究。這是由于列車火災不同于其他一般場合的火災［1］，不僅在爆發的方式、發展和蔓延情況方面有所不同，而且其所造成的損害以及人員的疏散也具有一定的特殊性。首先，列車運行速度快，一旦發生火災，人員不能立即逃生;其次，列車的火災荷載大，這是造成人員傷亡的主要原因。因此，對于列車防火安全的研究顯得尤為重要。本研究建立了熱釋放速率仿真模型，進行了實物燃燒測試試驗，將試驗結果與仿真結果進行對比，以校核仿真模型的吻合性，并在此基礎上對模型進行修正，以達到驗證動車組整車熱釋放速率仿真模型的目的。

1 ISO 9705大尺寸模型試驗

1.1 樣件尺寸及試驗裝置

熱釋放模型樣件的體積為1 m3，尺寸大小及材料組成為:鋁蜂窩地板22 mm×1 010 mm× 1 025 mm，3D蜂窩墻板10 mm×1 000 mm×1 000 mm，發泡板間壁25 mm×1 000 mm×1 000 mm。試驗裝置按照ISO 9705標準的規定進行布置。ISO 9705標準試驗房間［2］是研究壁面裝飾材料火焰蔓延特性的常用試驗裝置，它的尺寸為3.6 m× 2.4 m×2.4 m(長×寬×高)。試驗房間門設在一側短邊墻的中心，尺寸為0.8 m×2.0 m(寬× 高)，其他墻體、地板以及頂板無通風口。試驗房間門口外正上方安裝有錐形集煙罩，集煙罩與排煙管相連，主要收集燃燒的煙氣，經取樣處理及冷卻系統輸送至煙氣分析系統。標準試驗間門口布置7個熱電偶傳感器，天花板上方布置6個熱電偶傳感器，分別用來測試門口以及天花板上方的溫度分布情況。門口中心位置布置一個熱流計，用來測試通過門口的熱輻射通量。相應傳感器布置如圖1～3所示。

圖1 天花板熱電偶的布置

圖2 門口熱電偶的布置

1.2 樣件尺寸及試驗裝置

根據ISO 9705標準的要求，試驗采用100 kW的丙烷標準氣體［3］進行引燃，點燃時間為10 min，通過分析儀采集記錄這10 min內的熱釋放速率、溫度、熱輻射通量等參數，并用DV對煙霧擴散情況進行拍攝，以便與仿真結果進行更好的對比。試驗燃燒過程如圖4、5所示。從燃燒過程看到，材料的蔓延是非常緩慢的，而且主要燃燒區域是火焰能夠直接接觸的部分。燃燒之后的狀態如圖6所示，中間的鋁板被燒穿，內層的泡沫基本完全燃燒，而外層的間壁則僅僅燃燒了與火焰接觸的部分。由此可看出，對于整個熱量和煙霧的產生，其大部分來自于內層泡沫，而間壁和鋁板的貢獻則較少。熱釋放速率測試結果如圖7所示。

圖3 門口熱流計的布置

圖4 引燃樣件

圖5 樣件燃燒過程

圖6 樣件燃燒之后

圖7 熱釋放速率測試結果

2 熱釋放速率模型的建立以及仿真

2．1 Pyrosim軟件簡介以及仿真原理

Pyrosim軟件是基于計算流體力學的一種模擬軟件，它模擬火的能量驅動流體流動。采用數值方法求解一組描述熱驅動的低速流動的Navier-Stokes方程(黏性流體方程)，重點是計算火災中的煙氣流動和熱傳遞過程。該軟件把設定空間分成多個小的三維矩形控制體或計算單元［4］，計算每個單元內氣體的密度、速度、溫度、壓力和組分濃度。用質量守恒、動量守恒和能量守恒的偏微分方程來近似有限差分，通過對同一網格使用有限體積技術來計算熱輻射和流體流動中存在湍流參數，追蹤預測火災氣體的產生和移動，并結合家具、墻壁、地板和頂棚的材料特性來計算火災的增長和蔓延。此軟件處理湍流流動有2種方法:大渦模擬方法和直接數值模擬方法。大渦模擬方法是在湍流的大渦尺度和小渦尺度之間選一濾波寬度對N-S方程進行濾波，把所有流動變量變成大尺度量和小尺度量，對大尺度量進行直接模擬，而對小尺度量采用亞網格尺度模型進行模擬。這樣一來，大渦模擬用于湍流燃燒時是否能夠成功就取決于燃燒過程的尺度。直接數值計算模擬考慮了湍流與燃燒的相互作用，但是與純流動過程相比，燃燒使得這一方法的應用更為困難。一方面燃燒使得流場內流體的溫度和組成有了很大的變化，以至于決定網格尺寸的相關湍流尺度難以確定;另一方面燃燒本身可能在時空上引入一些足以與湍流尺度相比擬的尺度。但是，直接數值模擬所需的計算量比大渦模擬大得多。通過上述2種方法模擬求解后便可獲得相關測量點處溫度、熱輻射通量、熱釋放速率、能見度等一系列數據。

2.2 建立模型并仿真

根據實物模型尺寸的大小，在軟件中建立了相應的仿真模型，各材料所需要的熱力學性質參數由試驗測得。同時用錐形量熱儀按照ISO 5660標準的要求測出各材料的單位面積熱釋放速率，將其作為輸入參數輸入軟件中。最后，在仿真模型中按照ISO 9705標準的要求布置相應的傳感器。仿真模型如圖8、9所示。

圖8 燃燒室內部

圖9 燃燒室外部

仿真中，將火源的熱釋放速率設置為100 kW，仿真時間設置為600 s，仿真的過程如圖10、11所示。

圖10 隨著仿真的進行，逐漸產生煙霧

圖11 燃燒結束時，形成明顯煙霧層

3 實驗結果與軟件仿真結果對比

3.1 熱釋放速率結果的比較

從圖12可以看出:當燃燒處于穩定期時，仿真模擬的結果與試驗的結果相差無幾，但是在燃燒開始熱釋放的上升階段有所不同。試驗中的熱量有一個接近線性的遞增階段，而模擬仿真卻沒有這樣的上升階段，是直接從100 kW開始的。差別產生的原因主要是模擬仿真是一種理想情況，可以直接放置100 kW的丙烷氣體，而在實際試驗的過程中，由于設備的限制，不可能使丙烷氣體的功率直接達到100 kW，只能通過控制丙烷氣體的流速來控制火源的功率。因此，在試驗的測試結果中，出現了一個線性遞增的趨勢，這是對丙烷氣體流速調整的一個過程。在誤差允許的范圍內，認為仿真結果與試驗結果是吻合的。

圖12 熱釋放速率的對比

3.2 天花板上溫度的對比

圖13～16中，細線部分為試驗測試結果，粗線部位為仿真結果。從圖中可以看出，天花板上溫度的仿真結果與試驗結果相差無幾，趨勢也比較吻合，這說明仿真模型對研究列車發生火災后的煙霧層的溫度變化起到了很好的作用，吻合性和準確性都比較高。

圖13 靠近火源處天花板溫度對比

圖14 天花板中心溫度對比

圖15 天花板中心左側溫度對比

圖16 天花板中心右側溫度對比

4 結束語

通過高速列車阻燃材模型的燃燒試驗與軟件仿真，可以看出Pyrosim火災模擬軟件在模擬列車發生火災時的熱釋放速率方面有較高的吻合度。這對于模擬整車發生火災時的場景起到了很好的驗證作用。在今后整車防火研究方面，可以通過該軟件建立列車材料的屬性庫，通過輸入材料的熱力學性質參數便能很好地模擬整車火災。這對加強列車防火安全將起到一定的推動作用。

［1］楊曉菡.基于ISO9705房間木垛火實驗的FDS模擬預測［J］.消防科學與技術，2009，28(03):151-154.

［2］徐玉香.日本鐵路列車防火工作初步分析［J］.國外鐵道車輛，1990(1):44-48.

［3］歐育湘，李建軍.材料阻燃性能測試方法［M］.北京:化學工業出版社，2007.

［4］Chow W K.Application of the software fire dynamics simulator in simulating retail shop fires［J］.F ire Safety Science，2004，13(1):18-26.

(責任編輯 劉舸)

Validation Studies on the Heat Release Rate of High-Speed EMU

LI Xia，LIN Jian-hui
(State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

In order to verify the reliability and effectiveness of the high-speed train’s heat release rate model，we do some combustion experiments based on standard ISO 9705 to the train model，and do some simulation through the corresponding software，and then compare the experiment results with simulation results.The comparison shows that the Pyrosim software has a good alignment for simulating heat release rate of the high-speed train model.

high-speed train;ISO 9705;simulation of Pyrosim software;heat release rate model

U26

A

1674-8425(2014)08-0026-04

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.006

2014-05-16

李霞(1988—)，女，河南人，碩士研究生，主要從事信號分析及處理研究。

李霞，林建輝.高速列車熱釋放速率模型的驗證［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(8):26-29.

format:LI Xia，LIN Jian-hui.Validation Studies on the Heat Release Rate of High-Speed EMU［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):26-29.