雙層動車組下層中部火災煙氣蔓延數值模擬

王 菁 畢海權 茍琦林

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雙層動車組下層中部火災煙氣蔓延數值模擬

王 菁 畢海權 茍琦林

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

雙層動車組的發展雖然有效地緩解了高速鐵路客流壓力，降低了人均能耗，但是由于其結構更復雜、定員量更大，一旦發生火災，將為乘客的逃生及火災的救援工作帶來更大的挑戰。因此，雙層動車組列車火災的煙氣特性研究具有非常重要的意義。通過與普通單層動車組列車結構對比，得出雙層動車組列車火災最顯著的區別在于下層車廂火災。運用FDS軟件大渦模擬，建立某雙層動車組列車火災模型，對其下層車廂中部火災進行模擬，通過分析溫度、能見度等關鍵參數的分布及變化過程，得出雙層動車組下層中部火災煙氣蔓延規律。

雙層動車組；數值模擬；煙氣蔓延

0 引言

近年來，隨著我國高速鐵路的建設，我國高速列車快速發展。高速列車不僅為我們帶來了舒適、便捷的乘車體驗，更有力地促進了經濟社會的發展。為了有效地緩解高速鐵路客流壓力，降低動車組人均能耗，近年來雙層高速旅客列車在世界范圍內得到了很大的發展。然而，雙層動車組列車車廂內人員更加集中，火災發生時人員在走道大量聚集，更易產生擁擠堵塞[7]。

隨著對列車火災安全的重視程度的提高，國內外學者對列車火災進行了一些研究。Haukur Ingason[1]運用模型試驗的方法對列車火災發展過程及其影響因素進行了研究。MO Shan-jun[2]等利用FDS對某列車車廂進行了火災數值計算，分析了火災發生位置、開口情況及空調開啟對列車內部煙氣運動過程的影響。吳建波[3]以成都地鐵列車為研究對象，對車廂內火災煙氣運動進行了研究。楊天佑[4]采用數值計算方法對CRH1型高速列車火災進行了研究，重點分析了車內溫度場、能見度變化等。但是，國內外關于列車火災的研究基本上都是針對普通單層動車組列車進行的。雙層動車組列車在車輛結構和客室布局上和單層列車有很大的不同，其火災煙氣運動過程也必然會受到自身結構的影響，而與普通動車組列車煙氣流動存在差異。其中，最顯著的區別在于雙層動車組下層發生火災時，下層頂板對煙氣蔓延的影響。

本文采用火災數值計算軟件FDS對某雙層動車組新車型下層中部火災情況進行數值模擬，分析火災過程中車廂內溫度、有害氣體濃度、煙氣層等關鍵參數的分布及變化情況，得出雙層動車組下層中部火災的煙氣蔓延規律。

1 CFD模擬

本文采用FDS軟件對雙層動車組某車型下層中部火災進行數值模擬。湍流模型采用大渦模擬，燃燒模型采用混合燃燒模型。

2 計算模型建立

2.1 幾何模型

本文以國內雙層動車組某車型為模擬對象，車輛尺寸為25m（長）×3.36m（寬）×4.18m（高）。座椅按2+3排列，定員121人。具體客室布置如下圖所示。

圖1 雙層動車組列車布置圖

圖2 雙層動車組列車斷面圖

圖3 數值計算模型圖

2.2 火源功率

人為縱火：本文模擬550ml汽油潑灑在車內地板并被引燃。根據汽油的基本屬性及相關熱物性參數計算得出火源功率為173kW，增長方式按照超快速火設置[6]。

2.3 計算域大小與網格劃分

本文模擬雙層動車組明顯運行條件下發生火災初期的煙氣蔓延情況。考慮到火災發生時，煙氣及有害氣體會擴散到鄰近車廂，為了使計算結果更加接近真實情況，在著火車廂前后各增加一節車廂。

參考FDS火災模擬軟件的用戶使用手冊，采用火源特征直徑來確定火源附近的網格大小[5]，定義如下：

式中：*為火源特征直徑；為火災總熱釋放速率，kW。

為了保證數值模擬結果的準確性，本文著火車廂的網格尺寸取0.05m×0.05m×0.05m，前后連接車廂的網格尺寸取0.1m×0.1m×0.1m。

2.4 初始條件及邊界條件

初始環境溫度為20℃，模擬最大時間為600s。模擬雙層動車組明顯運行狀態下，所以本文將雙層車運行前方設為速度入口邊界，除車廂底部一側邊界條件為inert邊界，其他均為open邊界。

2.5 測點設置

為了分析煙氣蔓延特性，需要監測車廂各區域相同人員高度處的溫度、一氧化碳濃度、能見度等主要參數的變化情況。測點的布置如圖4所示。

圖4 測點設置

3 數值模擬結果及分析

3.1 煙氣分布

煙氣分布隨時間的變化情況如圖5所示。由圖可知：下層中部發生火災后，煙氣首先在下層頂板下方聚集，隨后向兩端蔓延，逐漸形成煙氣層；隨著火災的發展，煙氣由下層頂板兩端涌向車廂端部頂板；受端部頂板的影響，煙氣開始向上層車廂及端門處蔓延。當火災發生600s時，整節著火車廂幾乎完全被煙氣充滿。

圖5 煙氣分布

3.2 溫度

溫度分布隨時間變化情況如圖6所示。由圖可知：溫度的分布情況與煙氣相同。此處不再贅述。

圖6 溫度分布云圖

圖7 溫度分布曲線

車廂內不同溫度測點隨時間的分布及變化情況如圖7和圖8所示。由圖可知：車廂溫度基本關于火源呈對稱分布。下層車廂火源上方處測點溫度明顯高于其他測點，在高溫煙氣像車廂兩端蔓延的過程中，下層車廂人員高度處的溫度逐漸升高；由于煙氣在上層車廂的蔓延方式是由兩端向中部蔓延，因此上層車廂兩端測點溫度高于中間測點。由于一層樓梯靠近火源，故該處溫度升高較快，二層樓梯及端門處溫度變化情況相似。

圖8 溫度變化曲線

Fig8 Temperature variation curve

3.2 能見度

車廂能見度分布云圖如圖9所示。由圖可知：能見度變化規律與溫度相同，此處不再贅述。

圖9 能見度分布云圖

車廂各位置能見度變化情況如圖10所示。由圖可知：下層中部火災發生后，煙氣從下層中間車頂向兩端蔓延，隨后由一層兩端樓梯處涌入上層車廂及通過臺處。所以在此工況中，下層車廂及一樓兩側樓梯處能見度最先降低，上層車廂、二樓兩側樓梯處及兩側端門能見度隨之降低。

圖10 能見度變化曲線

4 結論

煙氣是列車車廂火災中人員傷亡的主要危害。本文針對雙層動車組下層中部火災進行數值模擬，分析了火災發生后的煙氣蔓延情況，得到了以下結論：

（1）煙氣蔓延規律：火災發生后，熱煙氣迅速上升至一層車廂頂板下方形成煙氣羽流。隨后沿著頂板向兩端擴散，該過程與普通動車組列車車廂中部火災初期相同。當煙氣蔓延至一層頂板端部后，經由一層樓梯處涌向車廂端部，并向端門處及上層車廂擴散。整個過程中，隨著煙氣的不斷產生，各區域煙氣層均不斷下降，最終，高溫煙氣將整節車廂大部分空間充滿。

（2）車廂內溫度、能見度及煙氣分布情況基本關于火源呈對稱分布，越靠近火源處溫度及煙氣濃度越大；在上下層車廂內同一高度上各位置的危險程度相差不大。

[1] H Ingason. Model scale railcar fire tests [J]. Fire Safety Journal, 2007,42(42):271-282.

[2] MO Shan-Jun, ZR Li, D Liang, et al. Analysis of Smoke Hazard in Train Compartment Fire Accidents Base on FDS[J]. Procedia Engineering, 2007,52:284-289.

[3] 吳建波.地鐵列車火災煙氣運動研究[D].成都:西南交通大學,2011.

[4] 楊天佑.高速列車火災煙氣防治研究[D].成都:西南交通大學,2011.

[5] 曾惜,畢海權,劉凱,等.雙島式地下車站自然通風條件下火災特性研究[J].制冷與空調,2015,(6):607-611.

[6] 倪天曉.高速鐵路隧道列車火災煙氣蔓延規律及控制特性研究[D].長沙:中南大學,2013.

[7] 杜紅兵,戚宜欣,袁緒忠,等.運行列車車廂內火災煙氣特性與溫度場分布的實驗研究[J].中國鐵道科學,1999,(3):33-39.

[8] Lin C, Chuah Y K. A study on long tunnel smoke extraction strategies by numerical simulation[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2008,23(5):522-530.

Numerical Simulation of Smoke Spread in the Lower Middle Part Fire of Double-deck EMUs

Wang Jing Bi Haiquan Gou Qilin

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

Although the development of double-deck EMUs has effectively alleviated the high-speed railway passenger flow pressure and reduced the per-capita energy consumption, because of its structure is more complex, the capacity is greater, in the event of fire, the passenger escape and fire rescue work Greater challenge. Therefore, it is of great significance to study the flue gas characteristics of train fire in double-deck EMUs. Through the comparison with the ordinary single-deck EMU train structure, the most significant difference between train fire is the lower compartment fire. In this paper, the FDS software is used to simulate the fire in the middle of the lower compartment, and the distribution of the key parameters such as temperature and visibility is analyzed. The results show that the fire smoke spread rule.

Double-deck EMUs; Numerical Simulation; Smoke spread

1671-6612（2018）01-018-05

TK51

A

王 菁（1991.5-），女，在讀碩士研究生，E-mail：543581993@qq.com

畢海權（1974-），男，教授，E-mail：bhquan@163.com

2017-05-10