B型地鐵列車火災安全疏散性能研究

李冬，蘇燕辰，田鑫，席亞軍

(西南交通大學 機械工程學院,四川 成都 610031)

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B型地鐵列車火災安全疏散性能研究

李冬，蘇燕辰，田鑫，席亞軍

(西南交通大學 機械工程學院,四川 成都 610031)

針對地鐵列車火災情況下的人員安全疏散，利用Pyrosim軟件對地鐵車輛進行火災模擬，由得到的火災參數來確定列車可提供的安全疏散時間(ASET)。然后進行現場地鐵火災疏散演練并結合Pathfinder軟件對人員疏散進行仿真計算，確定人員實際疏散耗時(RSET)。最后通過對得到的2個時間進行分析，證明了B型地鐵列車具有良好的安全疏散性能。

地鐵火災；人員疏散；火災動力學；Pathfinder; Pyrosim

近年來，隨著我國經濟持續快速發展，城市化明顯加快，城市軌道交通正處于空前高速建設發展時期。由于地鐵內部空間封閉、人員密集、逃生條件差，一旦發生火災，疏散及其困難，極易造成群死群傷事故，產生嚴重后果。因此開展地鐵列車火災條件下人員安全疏散的研究具有重要的意義。本文采用數值模擬和實驗相結合的方法。首先，利用Pyrosim軟件建立典型B型地鐵車輛的整車模型，設置相應參數，獲得列車燃燒后的溫度、CO濃度和能見度的變化情況，由此定量分析火災時地鐵車廂到達危險狀態的時間，確定列車可提供的疏散時間。然后，從實際出發，開展地鐵火災應急疏散演練，并結合Pathfinder軟件對不同火災場景進行人員疏散仿真計算，通過模擬和現場實驗，確定地鐵內人員實際安全疏散時間。最后，根據列車可提供的疏散時間和人員實際疏散耗時之間的關系來評價地鐵車輛的火災安全性能。

1　地鐵列車火災數值模擬

1.1Pyrosim軟件簡介及模型建立

Pyrosim是一款由美國標準技術研究院(NIST)研發的專門用于火災動態仿真模擬(FDS)的軟件。該軟件采用數值方法求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動的Navier-Stokes方程(黏性流體方程)，重點計算火災中的煙氣流動和熱傳遞過程。Pyrosim最大的特點是提供了三維圖形化前處理功能，可視化編輯的效果，里面包括建模、邊界條件設置、火源設置、燃燒材料設置等，因此在火災科學領域得到了廣泛的應用。

根據典型B型地鐵車輛實際尺寸的大小，在Pyrosim中建立仿真模型，各種材料所需幾何參數和熱力學性質參數由車輛制造廠家提供和實驗測得。并將其作為參數輸入到軟件中，仿真模型如圖1所示。

圖1　列車三維圖Fig.1 Three dimensional diagram of the train

根據國內外相關的實驗和研究，火災從開始至充分燃燒，火源熱釋放速率大致與時間的平方成正比。因此將火災場景的火源功率設定為t2速度增長，火源單位面積熱釋放速率設為2 500 kW/m2,火源面積為0.09 m2。 由于要測定地鐵車輛火災發生后的溫度、能見度和CO濃度的變化情況，在車廂內部合適位置設置對應傳感器、slice面等一系列測量設備。

1.2危險臨界條件的確定

在火災工程學中，對人員疏散的要求是：當火災發展到對人身體安全構成危險時刻之前將人員疏散至安全場所，即判斷人員必需的安全疏散時間RSET是否小于火場可用安全疏散的時間ASET。如果RSET

從列車火災發生到火災發展到對車內人員構成危險所需要的時間可由可燃物被點燃、火災被探測到和火災發展到如下條件的時間構成：

1)人體直接接觸到的煙氣溫度超過60 ℃，本文根據人頭部的特征高度，選取在1.7 m高度處溫度超過60 ℃；

2)有害燃燒物的臨界濃度達到對人體構成傷害的危險濃度，本文采用在1.7 m處CO濃度不超過250 mm/km；

3)減光度達到影響人員運動速度的極限值，本文采用在1.7 m高度處能見度低于10 m。

火災發展過程中，如果列車內的環境達到上述任一條件，則認為人員在這樣的環境中疏散是危險的。從而可以確定，從火災最先發展到上述條件之一的時刻就是列車可提供的疏散時間。

1.3列車可提供的疏散時間

運用Pyrosim對地鐵車輛火災進行模擬仿真，計算火災發展過程中各參數的變化情況，根據上述的危險臨界條件，確定列車可提供的安全疏散時間。根據車廂內部設置的相應測點，得到以下列車火災時車廂內部溫度、CO濃度和能見度的變化情況截圖，見圖2～4。圖2溫度變化切片截圖中，黑色表示溫度達到60℃的區域，即處于危險狀態。

表1　火災情況下車廂到達危險狀態的時間

圖2　車廂內1.7 m高度處溫度情況Fig.2 Temperature of the car at 1.7 m height

圖3　車廂端部1.7 m高度處CO濃度變化Fig.3 CO concentration changes of the car at 1.7 m height

圖4　車廂內1.7 m高度處能見度變化Fig.4 Visibility variation of the car at 1.7 m height

表1為車廂內各個危險臨界條件到達危險狀態的時間，其中車廂內溫度最先超過人體承受極限。“——”表示在模擬時間內沒有到達危險狀態，即CO濃度始終在安全范圍內。根據模擬結果，人員在175 s內逃生是安全的，即列車可提供的疏散時間為175 s。

2　地鐵車應急疏散演練與疏散仿真

人員所需的安全疏散時間REST是指從起火時刻起到人員疏散至安全區域的時間：

人員實際疏散耗時=人員響應時間+車內轉移時間+等待時間+疏散行走時間

這些時間的準確計算需要從實際出發，進而需要開展火災疏散演練來獲得仿真參數。然后再對不同的火災工況進行仿真計算，最終確定人員實際疏散耗時。

2.1地鐵列車火災應急疏散演練

2014年9月在青島南車四方車輛廠區進行了地鐵列車的火災應急疏散演練。使用地鐵列車的司機室、1號車廂、2號車廂和3號車廂，按照地鐵車輛運行的人員比例配置，進行火災情況下的場景緊急演練。為了使演練更加逼近真實場景，在演練中使用無害煙霧彈，對地鐵列車火災場景進行模擬，研究煙霧擴散規律和車廂內乘客的疏散。

演練模擬車輛在隧道內由于不可抗拒的因素緊急停車的疏散情況，為與上述Pyrosim火災數值模擬相對照，在2號車廂中部放置煙霧彈(著火點)。并且每列車廂分別均勻分布150人，人員分布在過道和座位上處于行走、交談等狀態。

圖5　疏散示意圖Fig.5 Evacuation schematic diagram

從模擬著火開始至車廂內最后一名乘客轉移出車廂到達安全地帶共耗時113 s，其中具體時間見下表2。該實際實驗中地鐵車廂內乘客全部撤離車廂安全疏散所耗時間為113 s，可知耗時遠小于燃燒實驗所確定的安全疏散時間。

表2　現場疏散演練時間表

具體疏散場景狀況如圖6～8所示，從圖中可知：模擬的疏散場景符合真實地鐵車廂狀況，模擬煙霧導致現場可見度極度下降，接近真實起火環境狀況。

圖6　開始點火Fig.6 Ingite

圖7　2號車廂轉移完畢Fig.7 Transfer is completed of the second carriage

圖8　車廂內乘客完全疏散完畢Fig.8 Transfer is completed of all the arriages

2.2Pathfinder疏散仿真

Pathfinder是由美國Thunderhead engineering公司開發的一套新型的智能人員緊急疏散逃生評估系統。它包括SFPE和steering 2種人員運動模式，從而可以準確確定每個個體在災難發生時的最佳逃生路徑和逃生時間。Pathfinder可以導入FDS模型，兩者結合可以科學方便地獲得重要的人員疏散數據。

本文按照列車滿載狀態建模，使用演練獲得的人員肩寬、行走速度、舒適距離作為參數進行列車人員疏散仿真，人數設置為每節車廂250人。列車在高峰時段在隧道中部運行時，1號車廂發生火災，車輛無法繼續運行需要立即執行隧道人員疏散。

圖9～10為仿真的疏散情況，具體各部分仿真時間見表3，由該仿真可知，從列車在隧道突發狀況至最終安全停車，全部乘客撤出車廂安全疏散完畢，共用時167 s。所以，仿真得出的人員實際疏散時間為167 s。

表3　仿真疏散演練時間表

圖9　列車開門后疏散情況Fig.9 Evacuation situation after opened the doors

圖10　著火車廂乘客安全疏散Fig.10 All passengers have been evacuated

3　結論

1)地鐵列車發生火災時，通過應急疏散演練得到人員實際疏散耗時RSET為113 s;采用Pathfinder軟件模擬計算得到人員實際疏散耗時RSET為167 s；

2)采用Pyrosim軟件對車廂內火災煙氣流動進行模擬得到列車可提供的疏散時間ASET為175 s;

3)可得ASET>RSET，即著火車廂內部人員能夠安全疏散至安全區域。

4)B型地鐵列車的安全出口、逃生距離等幾何參數滿足防火要求，地鐵車輛整車的防火設計和車用材料的防火性能能夠保證人員的安全疏散，具有良好的安全疏散性能。

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Research on the evacuation performance of B-typesubway train in the condition of fire disaster

LI Dong, SU Yanchen, TIA Xin, XI Yajun

(Southwest Jiaotong University, School of Mechanical Engineering, Chengdu 610031, China)

In view of the safe evacuation of subway train in the condition of fire disaster, the software Pyrosim was used to simulate the fire disaster of subway train. The available safety escape time (ASET) was determined by the fire disaster parameters obtained from the simulation. In order to determine the required safety escape time, the safety evacuation was simulated by combining the practical fire disaster evacuation drill and the software Pathfinder. Finally, the fire disaster security was discussed by comparatively analyses of ASET and RSET. The results show that the B-type subway train has a good safety evacuation performance.

subway fire;evacuation;fire dynamics;Pathfinder;Pyrosim

2015-11-16

中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目;西南交通大學牽引動力國家重點實驗室自主創新基金資助項目

蘇燕辰(1964-)，男，四川成都人，副教授，從事測控技術、高速列車檢測研究；E-mail:su_yan_chen@126.com

U298.4

A

1672-7029(2016)08-1613-05