高速動車組地板結(jié)構(gòu)耐火性能分析*

劉彥彤 陸守香 張 術(shù) 孫 勇 覃義仁

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，230026，合肥；2.中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，130062，長春//第一作者，高級工程師)

高速動車組發(fā)生火災(zāi)的后果十分嚴(yán)重[1]，地板結(jié)構(gòu)作為動車組重要的防火隔斷之一，其耐火性能在火災(zāi)的發(fā)展中起著重要作用。目前，國內(nèi)已經(jīng)對動車組地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[2]，然而，通過這些標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)仍然較難理解地板結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的內(nèi)在行為機(jī)理。

本文分析了高速動車組列車車體材料的防火性能對結(jié)構(gòu)耐火性能的影響，對地板結(jié)構(gòu)的耐火性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了列車車體材料的防火性能和結(jié)構(gòu)的耐火性能。

1 地板結(jié)構(gòu)耐火性能數(shù)值模擬分析

利用COMSOL多物理場模擬軟件對高速動車組地板結(jié)構(gòu)耐火試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，對試驗(yàn)中的導(dǎo)熱、對流及輻射傳熱過程進(jìn)行了模擬分析。首先使用CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))軟件按照1…1的比例建立三維幾何模型，然后將模型導(dǎo)入COMSOL軟件，如圖1所示。

圖1 地板結(jié)構(gòu)模擬圖

地板結(jié)構(gòu)長3 m，寬4 m。從地板結(jié)構(gòu)底面(受火面)至頂面(背火面)各層材料分別為瀝水板、吸音材、碳纖維、隔音氈、復(fù)合膠合板、橡膠地板布，層間各材料緊密貼合無間距。各層材料尺寸參數(shù)如表1所示。各層材料參數(shù)如表2所示。所有材料均視為各向同性，即針對任意材料，其導(dǎo)熱系數(shù)值在x、y、z方向上均相等。

表1 地板結(jié)構(gòu)幾何尺寸 單位：mm

表2 地板結(jié)構(gòu)各層材料參數(shù)表

模擬時(shí)，仿照試驗(yàn)時(shí)地板側(cè)面使用的隔熱材料進(jìn)行封堵，且將模型側(cè)壁設(shè)定為絕熱邊界條件。針對模型的下表面(受火面)，認(rèn)為其溫度依照標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線[3]變化，即：

T0=345 lg(8t+1)+Tinitial

(1)

式中：

T0——環(huán)境溫度,℃；

t——時(shí)間，min；

Tinitial——受火面初始溫度，取25 ℃。

本模擬中地板結(jié)構(gòu)的上表面(背火面)暴露在空氣中，由于環(huán)境溫度較低，因此可將上表面設(shè)置為開邊界。此處主要表現(xiàn)為空氣對板材的對流冷卻，可以由如下方程控制：

(2)

式中:

T——地板結(jié)構(gòu)上表面溫度；

n——地板結(jié)構(gòu)上表面溫度的法向矢量；

u——地板結(jié)構(gòu)上表面氣流速度；

q——地板上表面的熱流。

由于地板結(jié)構(gòu)扁平，橫向溫度梯度沒有縱向溫度梯度顯著，因此采用自由四邊形掃掠網(wǎng)格，并在不同層進(jìn)行相應(yīng)細(xì)化。該做法在簡化網(wǎng)格劃分的同時(shí)可以提高計(jì)算效率，基本的網(wǎng)格單元質(zhì)量和數(shù)量取值如表3所示。表3中的數(shù)據(jù)說明本模擬中使用的網(wǎng)格較為扁平，但由于橫向傳熱不是模擬關(guān)注的重點(diǎn)，因此可以接受這樣的網(wǎng)格質(zhì)量。

表3 網(wǎng)格單元質(zhì)量和數(shù)量取值

本文中的模型使用瞬態(tài)求解器求解域變量隨時(shí)間變化的問題。計(jì)算時(shí)將所構(gòu)建的幾何網(wǎng)格輸入固體傳熱物理場接口，設(shè)定計(jì)算時(shí)間為30 min、迭代平均步長為1 min，利用拉格朗日二次插值函數(shù)對控制方程數(shù)值化后進(jìn)行迭代求解。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

為模擬試驗(yàn)中的測量情況，輸出了地板結(jié)構(gòu)背火面溫度隨時(shí)間的變化趨勢，以及背火面的最高溫度曲線與平均溫度曲線，并將后兩者進(jìn)行了對比，如圖2所示。結(jié)果顯示，背火面的最高溫度曲線與平均溫度曲線基本重合。由于模擬時(shí)假設(shè)板材四周理想絕熱，底部均勻受熱，因此背火面的溫度分布也較為均勻。這也間接說明地板內(nèi)部傳熱的一維特性，即僅在高度方向上存在顯著的溫度梯度。因此，模擬分析時(shí)可以暫不考慮地板結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度的水平分布。

圖2 地板結(jié)構(gòu)背火面溫度隨時(shí)間的變化曲線

文獻(xiàn)[4]對地板結(jié)構(gòu)耐火失效的判據(jù)所作的規(guī)定為：“隔熱性條件：背火面平均溫度超過初始溫度140 ℃，或背火面的任何一點(diǎn)，無論是固定測溫點(diǎn)還是移動測溫點(diǎn)超過初始溫度180 ℃。”將背火面溫度與恒溫(165 ℃)進(jìn)行了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，背火面溫度將在84 min時(shí)達(dá)到隔熱性失效標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示。這說明在地板結(jié)構(gòu)耐火試驗(yàn)中，如果假定地板結(jié)構(gòu)內(nèi)部始終完整，僅通過下表面加熱，上表面散熱，最多84 min隔熱失效。因此，應(yīng)控制試驗(yàn)時(shí)間低于該模擬值。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

與真實(shí)地板結(jié)構(gòu)相比，數(shù)值模型由于受到計(jì)算精度與參數(shù)獲取的限制，將阻尼漿、彈性支撐、木骨、減震墊等結(jié)構(gòu)并入其他臨近結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，且認(rèn)為其性質(zhì)與所并入的臨近結(jié)構(gòu)相同。這種近似忽略了上述結(jié)構(gòu)的影響，但并入的結(jié)構(gòu)尺寸相對很小，對模擬結(jié)果影響有限。此外地板結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸為4 550 mm×3 255 mm(長度×寬度)，與模擬地板結(jié)構(gòu)的尺寸4 000 mm×3 000 mm(長度×寬度)相差較大，并且含支撐結(jié)構(gòu)。然而地板結(jié)構(gòu)主體板材的性質(zhì)相同，支撐結(jié)構(gòu)水平截面積相對地板結(jié)構(gòu)可以忽略，因此數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果仍具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值。

試驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度設(shè)為25 ℃。在地板結(jié)構(gòu)背火面布置了9個(gè)測溫?zé)犭娕迹植既鐖D3所示。試驗(yàn)爐內(nèi)的實(shí)際溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度對比如圖4所示。由圖4可知，試驗(yàn)爐內(nèi)的實(shí)際平均溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度基本相符，但在10 min后爐內(nèi)實(shí)際平均溫度存在一定的波動，不超過標(biāo)準(zhǔn)溫度的5%，可以認(rèn)為試驗(yàn)時(shí)的邊界條件與數(shù)值模擬的邊界條件一致。

圖3 地板結(jié)構(gòu)背火面熱電偶布置圖

背火面溫度的模擬值與試驗(yàn)值對比如圖5所示。由圖5可知，試驗(yàn)測得的背火面的平均溫度和最高溫度與數(shù)值模擬值基本一致，試驗(yàn)值略微偏高，30 min內(nèi)前兩者相差最大不超過試驗(yàn)值的8%，具有較高的一致性。試驗(yàn)值整體偏高是因?yàn)樵囼?yàn)裝置無法做到良好的密封，且地板結(jié)構(gòu)內(nèi)存在一定的貫穿支撐結(jié)構(gòu)。一方面溢出的熱氣直接加熱地板結(jié)構(gòu)表面，另一方面熱量通過導(dǎo)熱系數(shù)較高的支撐結(jié)構(gòu)較迅速地向上傳遞，這使得試驗(yàn)中的背火面溫度上升較快。此外，試驗(yàn)時(shí)背火面溫度的平均值是9個(gè)熱電偶測得溫度的平均值，而背火面溫度模擬平均值是整個(gè)平面溫度積分后的平均值，兩者統(tǒng)計(jì)方式的不同亦會造成一定的誤差。

圖5 背火面溫度的模擬值與試驗(yàn)值對比圖

對比背火面最高溫度的試驗(yàn)與模擬結(jié)果可見，試驗(yàn)值與模擬值相比偏離較大。但試驗(yàn)顯示，背火面的最高溫度大都由位于地板邊緣的熱電偶測得，爐內(nèi)高溫氣體泄漏造成了背火面溫度異常升高。

研究發(fā)現(xiàn)，背火面的最高溫度在30 min后迅速升高。試驗(yàn)表明，此時(shí)地板底部結(jié)構(gòu)完整性被破壞，爐內(nèi)火焰直接加熱地板結(jié)構(gòu)背火面材料使其迅速升溫。同時(shí)，試驗(yàn)中地板結(jié)構(gòu)邊緣有煙氣冒出、躥火等現(xiàn)象，判定其耐火失效。依據(jù)背火面溫度升高對地板結(jié)構(gòu)耐火性能的影響進(jìn)行判斷，試驗(yàn)所得的失效時(shí)間約為數(shù)值模擬所得的一半以下，說明構(gòu)成地板結(jié)構(gòu)的材料在高溫中的物理及化學(xué)變化對地板的耐火性能有很大影響。

3 結(jié)論

1) 本文建立的數(shù)值模型具有較好的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。在不考慮地板材料在高溫中的物理、化學(xué)變化的情況下，模擬地板結(jié)構(gòu)背火面在84 min時(shí)超過初始溫度165 ℃，并可依此判斷為耐火失效。

2) 通過將地板結(jié)構(gòu)的耐火數(shù)值模擬結(jié)果與耐火試驗(yàn)結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)在30 min內(nèi)模擬對實(shí)際情況具有較好的復(fù)現(xiàn)能力；而試驗(yàn)所得背火面的溫度相對較高，并在30 min后迅速升高，說明實(shí)際試驗(yàn)爐側(cè)面存在漏氣、躥火等情況，并且高溫造成的地板材料的物理、化學(xué)變化對地板結(jié)構(gòu)的耐火性能具有很大的影響，實(shí)際地板結(jié)構(gòu)的耐火性能可以維持30 min。