低地板輕軌列車基于FDS的火災發展模擬研究

王興繼 焦志遠 杜璐露

摘 要：低地板輕軌列車火災的全尺寸實驗是非常困難的，因此利用FDS軟件進行火災場景模擬研究是非常方便和有意義的。本文針對低地板輕軌列車火災的火源位置、火源功率和火災增長速率設定了三種典型工況，利用FDS軟件進行了三維仿真模擬研究，得到了三種工況下的模擬時序圖以及溫度、煙顆粒濃度分布參數隨時間的變化規律。

關鍵詞：低地板輕軌列車;FDS;數值模擬

0 引言

隨著經濟和城市的發展，軌道交通已經成為城市居民出行的首選方式。其中，自20世紀80年代以來，低地板輕軌車輛得到蓬勃發展[1]。目前，低地板輕軌車輛技術在我國仍處于起步階段，還有巨大的發展空間和市場潛力，是解決我國城市交通問題的有效途徑。

但是，地鐵和輕軌車輛發生火災時，容易造成大量的人員傷亡，危害性極大[2]。地鐵車輛火災危險性的重要參數包括熱釋放速率[3]、煙氣濃度、CO2濃度等，許多國內外學者都對其進行了研究。但是進行輕軌列車火災的全尺寸實驗是非常困難的[4]，因此很少有關于輕軌列車的火災公開實驗數據。因此獲得不同工況、不同火源位置下溫度、煙氣濃度非常方便和有意義的[5-7]。

本文針對低地板輕軌列車火災的火源位置、火源功率和火災增長速率設定了三種典型工況，利用FDS軟件進行了三維仿真模擬研究，得到了三種工況下的模擬時序圖以及溫度、碳煙顆粒濃度分布隨時間的變化規律。

1 列車車廂模型建立

本項目基于3節車廂的低地板列車進行FDS的建模，FDS 物理模型如圖1所示：

2 火災場景設置

2.1 火源位置設置

在設計數值模擬部分火災場景時，綜合考慮列車內各部位幾何特征與材料特性等因素，選定客室等部位為主要火源位置，以此模擬計算分析溫度、碳煙顆粒濃度參數隨時間的變化規律。

依據火災場景的選取原則，考慮車廂可燃物較多、火災危險性較大的實際情況，并同時考慮設定火災對煙氣產生的不利影響最大，應將火源位置設置于客室中部。

2.2 火源功率及類型設置

由于車廂內可燃物比較繁雜，無法對其內的可燃物及其火災荷載進行準確測量，因此只能基于一般國際消防安全分析建議值。綜合考慮確定：最常見火災條件下的火源荷載為5 MW，最不利條件下的火源荷載為10 MW。考慮列車內的可燃物類型，本次模擬選取的為快速t2火。

綜合考慮低地板列車火災風險因素，確定以下3種火災工況作為研究對象。

3 數值模擬結果分析

3.1 模擬過程描述

由各工況的模擬過程中可以看出：

在工況一下，火災發生15 s時，火災煙氣仍未布滿列車頂棚空間。火災發生30 s時，煙氣已布滿列車頂棚空間，開始持續累積并進而向相鄰位置蔓延。火災發生45 s～75 s階段，煙氣持續在列車內部空間蔓延。火災發生90 s時，煙氣仍未布滿整個列車頂棚空間。對比火災發生200 s時及模擬終了時刻346.8 s時，發現二者圖示現象差別不大，因此推斷在200 s之前，火災煙氣已經完成了在列車內部的蔓延、累積沉降，并通過孔隙和其他排煙手段持續向外排煙。

在工況二下，火災發生15 s時，火災煙氣已布滿列車頂棚空間，且開始持續累積并初步向相鄰位置擴散。火災發生30 s時，對比工況一同時刻時序圖，其煙氣蔓延現象更為顯著。火災發生45 s～60 s階段，煙氣持續在列車內部空間擴散;火災發生75 s時，煙氣已蔓延至整個列車空間，且持續累積。對比火災發生90 s時及模擬終了時刻103.8 s時，發現二者圖示現象差別不大，再與工況一模擬終了時刻圖像對比，得出本工況在模擬終了時，火災煙氣在向外排煙的同時，仍未完成在列車內部的蔓延、累積沉降。

在工況三下，火災發生15 s時，火災煙氣已布滿列車頂棚空間，且開始持續累積并初步向相鄰位置擴散，對比工況二同時刻時序圖可發現，其煙氣蔓延速度較之工況二有所加快，但不甚明顯。火災發生30 s時，可對比得出，本工況煙氣蔓延速度較之工況二有明顯增快。火災發生60 s時，煙氣已蔓延至整個列車空間，且持續累積。對比本工況火災終了時刻88.8 s時及工況一最終圖像，可得出本工況在模擬結束時刻，火災煙氣已基本完成了在列車內部的蔓延、累積沉降，并通過孔隙和其他排煙手段持續向外排煙。

綜上所述，在列車上部表面發生火災時，其內部煙氣蔓延速度隨著火源功率的增加有較為顯著的提升。

3.2 典型工況火災參數

就三種典型工況火災數值模擬結果，從模型內設置的九組探測點中，選取較為具有代表性的兩組探測點，對溫度、碳煙顆粒濃度變化規律分別如圖2至圖4所示。

由圖2中可以看出，在工況一下，當列車上部高溫管道表面發生火災，火源功率為2 WM時，列車頂棚各處的煙氣參量有著相似的隨時間變化規律，然而其響應時間和具體含量則存在著較大差異。各項參數在不同水平位置處的響應規律較為類似，煙顆粒與溫度響應規律則基本一致。

如圖2 （c）所示，在模擬時間內，該組煙顆粒濃度測點測得的最大煙顆粒比例約為0.014，即14 000 ppm;如圖2 （d）所示，在模擬時間內，該組煙顆粒濃度測點測得的最大煙顆粒比例約為0.037，即37 000 ppm;由此可以看出：該列車內各處的最大煙顆粒濃度分布，受其與火源之間的距離影響較大。

由圖3中可以看出，在工況二下，當列車上部高溫表面發生火災，火源功率為5 WM時，列車頂棚各處的煙氣參量有著相似的隨時間變化規律，然而其響應時間和具體含量則存在著較大差異。各項參數在不同水平位置處的響應規律較為類似，煙顆粒與溫度的響應規律則基本一致。

隨著高度的增加、測點與火源水平距離的接近，各參數的響應時間隨之減少，靈敏度升高。如圖3（b）所示，其曲線圖大致分為四組（分別為測點134、124、114;測點133、123、113;測點132、122、112;測點131、121、111數據制得的數據圖），且各組數值差異較大，這表明由水平位置相近的幾組測點測得的煙顆粒濃度參數，受高度影響較大。如圖3 （c）所示，在模擬時間內，該組煙顆粒濃度測點測得的最大煙顆粒比例約為0.013，即13 000 ppm;如圖3（d）所示，在模擬時間內，該組煙顆粒濃度測點測的最大煙顆粒比例約為0.043，即43 000 ppm;這表明該列車內各處的最大煙顆粒濃度分布，受其與火源之間的距離影響較大。

由圖4中可以看出，在工況三下，當列車上部高溫表面發生火災，火源功率為10WM時，列車頂棚各處的煙氣參量有著相似的隨時間變化規律，然 而其響應時間和具體含量則存在著較大差異。各項參數在不同水平位置處的響應規律較為類似，煙顆粒與溫度的響應規律則基本一致。

隨著高度的增加、測點與火源水平距離的接近，各參數的響應時間隨之減少，靈敏度升高。如圖4（b）所示，其曲線圖大致分為四組（分別為測點534、524、514;測點533、523、513;測點532、522、512;測點531、521、511數據制得的數據圖），且各組數值差異較大，這表明由水平位置相近的幾組測點測得的煙氣溫度變化規律，受高度影響較大。此外，如圖4（a）所示，在模擬時間內，該組煙氣溫度測點測得的煙氣最高溫度約為65℃;如圖4（b）所示，在模擬時間內，該組煙氣溫度測點測得的煙氣最高溫度約為525℃;這表明該列車內各處的最高煙氣溫度分布，受其與火源之間的距離影響較大。

4 結論

本文通過FDS對低地板輕軌列車三種典型工況的火災情況進行了模擬，得到了三個工況整體時序圖，以及溫度、碳煙顆粒濃度分布參數隨時間的變化規律，可以得出以下結論：

（1）在列車上部表面發生火災時，其內部煙氣蔓延速度隨著火源功率的增加有較為顯著的提升;

（2）在三種工況下，列車內各處的最高煙氣溫度、煙顆粒濃度分布，受其與火源之間的距離影響較大;最快對不同水平位置處各參數變化作出響應的測點均為最高點，且各組測點中高度最低處，在模擬時間段內，各項參數均基本維持在初始數值鮮有波動;

（3）隨著火源功率的增大，煙氣溫度、煙顆粒密度的最大值均有顯著升高，且各參數的響應速度、靈敏度也有增大。

參考文獻：

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