基于PyroSim的高速動車火災(zāi)分析

梁君海，李 霞，林建輝，李 莉，劉金柱

(1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111;2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

動車組列車因其便捷、穩(wěn)定、舒適，已成為備受世界各國鐵路運輸部門青睞的交通運輸方式。動車組列車上采用的新防火技術(shù)與難燃阻燃材料增強(qiáng)了車身的防火性能，有效地降低了火源產(chǎn)生的概率，減少了可燃物的存在。但由于一些人為因素，以及外來火源和外來可燃易燃物等，仍可能增大車廂發(fā)生火災(zāi)的隱患。由于高速列車具有流動性、密閉性、人員集中性等特點，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢蔓延將會非常迅速，在短時間所產(chǎn)生的大量燃燒熱、煙氣、有毒氣體等將會很快蔓延至整個車廂。因此，對高速列車進(jìn)行火災(zāi)的分析研究有著積極的意義［1－4］。

1 PyroSim火災(zāi)模擬軟件

PyroSim火災(zāi)模擬軟件是一款專用于消防動態(tài)仿真模擬的軟件，它是在火災(zāi)模擬軟件FDS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的［5－6］。FDS 建模很復(fù)雜，是通過文本編寫程序來完成的，尤其是對于布置探溫、探煙、探毒氣探頭位置的各種參數(shù)，其建模工作量非常大，很容易出錯。PyroSim火災(zāi)模擬軟件最大的特點是提供了三維圖形化前處理和可視化編輯的功能，能夠邊編輯邊查看所建模型，把用戶從以前FDS建模的枯燥復(fù)雜的命令行中解放了出來。圖1為它的模塊組成結(jié)構(gòu)。

圖1 跟蹤試驗系統(tǒng)的模塊組成結(jié)構(gòu)

2 火災(zāi)模型的建立及仿真

2.1 列車物理模型設(shè)置

實際的火災(zāi)發(fā)生和燃燒過程比較復(fù)雜，由于現(xiàn)有的計算方法及條件有限，必須進(jìn)行一定的簡化。因此，根據(jù)列車的二維圖進(jìn)行簡化建模，所得模型如圖2所示。各相關(guān)材料的單位面積熱釋放速率按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 5660。由錐形量熱儀測得，材料的熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表2所示。目前國內(nèi)外相關(guān)的實驗和研究表明:火災(zāi)從開始至充分燃燒，火源熱釋放速率大致與時間t的平方成正比。因此，將火災(zāi)場景的火源功率一般設(shè)定為以 t2速度增長。

圖2 車廂簡化模型

表2 材料的熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 基本方程

PyroSim以低馬赫數(shù)的LES方程式來描述受火災(zāi)浮力驅(qū)動的氣體流動現(xiàn)象，其方程式如下:

PyroSim將溫度、密度與壓力區(qū)分為空間平均項與振動項，其形式如下:

式(1)和(2)中，ρ為氣體密度。

煙氣流動的的控制方程采用低馬赫數(shù)形式的三維非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程的近似形式。

質(zhì)量守恒方程:

組分守恒方程:

動量守恒方程:

能量守恒方程:

氣體狀態(tài)方程:

由式(2)、(5)、(6)聯(lián)立求解，可得計算區(qū)域的速度、溫度、密度以及壓力等。

2.2.2 燃燒模型

火災(zāi)過程幾乎都是湍流燃燒過程，火災(zāi)中的燃燒可能是擴(kuò)散燃燒，也可能是預(yù)混燃燒。在火災(zāi)動力學(xué)模擬中，采用的湍流燃燒模型有混合組分燃燒模型和有限化學(xué)反應(yīng)速度模型。混合組分燃燒模型假定系統(tǒng)為燃燒單步不可逆反應(yīng)的簡單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，即燃燒反應(yīng)可以簡單表示為

如果只關(guān)心火災(zāi)過程的熱效應(yīng)，該模型是簡單實用的;若需要研究了解火災(zāi)過程中污染物和有毒有害氣體的產(chǎn)生，則需要引入包含這些物質(zhì)產(chǎn)生機(jī)理和速率的有限化學(xué)反應(yīng)模型。對于一般碳?xì)浠衔锶紵磻?yīng)可表示為:

相應(yīng)的反應(yīng)速率為

2.2.3 模型場景設(shè)計及測點布置

可以以起火位置作為參照設(shè)計不同的火災(zāi)場景，并可以設(shè)置門窗的開合狀況，以此來比較不同位置著火和不同門窗開啟的情況下的火災(zāi)危害程度。由于需要測定列車模型發(fā)生火災(zāi)時的溫度變化、能見度、熱釋放速率等參數(shù)，這就需要在軟件中布置不同的測點。一般來說，通過設(shè)置熱電偶來測定固定位置的溫度變化;也可以通過設(shè)置slice面來觀察指定平面的溫度變化情況;同時，可以通過改變熱電偶的屬性，來測定煙霧能見度。熱電偶的布置如圖3所示。

圖3 熱電偶的布置

3 運行仿真

仿真過程中，通過smokeview來觀看燃燒狀況，如圖4所示。此外，可以通過不同測點的測定結(jié)果來判斷不同著火位置的危害程度，以及門窗開合對溫度以及能見度、熱釋放速率等的影響。如圖5為測定的某種工況下的熱釋放速率。

圖4 通過smokeview觀看燃燒狀況

圖5 測定的某種工況下的熱釋放速率

4 結(jié)束語

仿真結(jié)果表明:高速列車防火的薄弱環(huán)節(jié)主要在車輛結(jié)合部。得到了不同門窗開合對火災(zāi)蔓延的影響，對于指導(dǎo)乘客逃生疏散有著積極的意義。高速列車防火安全問題備受關(guān)注，由本文研究結(jié)果可知:PyroSim火災(zāi)模擬軟件對于研究高速列車火災(zāi)蔓延有著指導(dǎo)意義。

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