高速列車材料測試及轟燃研究

王建帆，蘇燕辰

（西南交通大學機械工程學院，四川成都610031）

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高速列車材料測試及轟燃研究

王建帆，蘇燕辰

（西南交通大學機械工程學院，四川成都610031）

摘要：為得到CRH2型高速列車燃燒熱釋放速率、煙氣運動等表征燃燒特性的數據曲線，基于ISO 5660-1——2002 和ISO 1716——2002標準對車用主要材料進行燃燒實驗，并建立Pyrosim高速列車4號車廂模型進行燃燒仿真，得出不同起火位置、不同通風條件下列車熱釋放速率曲線、溫度、熱流量和煙層高度的變化情況，并根據轟燃發生的熱釋放速率判據判斷各個工況是否發生轟燃，分析CRH2型高速列車的防火性能。結果表明：座椅著火會使列車內部發生轟燃現象，轟燃發生之后通風會由于進入的空氣對車內燃燒起助燃作用。

關鍵詞：熱釋放速率；轟燃；高速列車；材料測試

0　引言

由于高速列車內裝飾材料多為非金屬材料，列車上火源、電源較多，列車火災危險性大[1]，故高速列車防火安全在國內外都受到格外重視。Pyrosim軟件仿真對于模擬高速列車燃燒的熱釋放速率有很好的吻合度[2]。本文采用Pyrosim軟件建立準確的CRH2型高速列車4號車廂模型，仿真得到列車中起火位置、通風情況不同時，車內熱釋放速率曲線和煙氣運動模擬等輸出參數的變化情況，并與臨界熱釋放速率比較，由此判斷車內是否發生轟燃，對高速列車編制應急方案、消防疏散演練，以及高鐵材料的選擇、優化和評估提供重要依據。

1　Pyrosim簡介

PyroSim是美國的Thunderhead engineering公司開發的火災模擬前處理和后處理軟件，它是在FDS的基礎上發展起來的輔助軟件[3]。Pyrosim有3個工作界面：3Dview、2Dview以及Record View。在3DView 和2DView中可以直接建模，在Record View詳細記錄了建模時所執行的每一條命令動作和參數，方便檢查錯誤。建模完成之后，輸入materials、vent、surfaces、obstruction等參數，然后按照需要在合適位置添加傳感器，如熱電偶、煙霧傳感器、流量傳感器等，程序運行之后就能得到熱釋放速率曲線、溫度、煙霧密度、熱輻射通量等數據。

2　轟燃的定義以及常用判據

轟燃標志著火災由初期階段向充分發展階段的轉變，轟燃的表現有以下3點：1）火災由局部火向大火的轉變，轉變完成后，所有可燃物表面都開始燃燒；2）燃燒由燃料控制向通風控制的轉變；3）在天花板下方積聚的未燃氣體或蒸氣突然著火而造成火焰迅速擴展[4]（在達到轟燃臨界值時，天花板的溫度設定為600℃）。

本文采用熱釋放速率判據來判斷車內轟燃是否發生，即燃燒產生的熱釋放速率是否超過發生轟燃所需的臨界熱釋放速率。臨界熱釋放速率有3種計算方法[5]：

式中：Q0——產生轟燃所需的最小熱釋放速率，kW；

hk——有效的熱傳遞系數，kW/（m·K）；

AT——車內所有表面的總面積，m2；

A0——門窗等開口的面積，m2；

H0——車內門窗等開口的高度，m。

表1　車用主要材料的熱力學參數

圖1　車用主要材料的單位面積熱釋放速率

本文采用第3種方法來計算，在不打開車窗的情況下，車內臨界熱釋放速率約為13 MW，即在不開窗的情況下，如果熱釋放速率達到13 MW，則認為車內發生了轟燃現象。在打開兩扇窗戶的情況下，由于開口面積的增加，車內臨界熱釋放速率約為14.4 MW。

3　建模及仿真分析

采用Pyrosim軟件進行建模，所建模型是CRH2型列車4號車廂，車體尺寸為：25000mm×3380mm× 3 700 mm。火源的單位熱釋放速率統一取值為500kW/m2，火源面積為0.04m2，故火源功率為20kW。列車為靜止狀態。

3.1測試所得輸入參數設置

本文采用車型為CRH2型高速列車，車體所用材料的熱力學參數和材料單位面積熱釋放速率使用錐形熱儀進行燃燒實驗得到，實驗在常州金標軌道交通技術服務有限公司燃燒實驗室進行。材料測試依據標準ISO 5660-1——2002《對火反應試驗-熱釋放、產煙量及質量損失率，第1部分：熱釋放速率-錐形量熱儀法》[6]、ISO 1716——2002《建筑制品對火反應試驗-燃燒熱值的測定》[7]。所得數據見表1以及圖1。

3.2傳感器設置

為了得到溫度、熱量以及煙霧高度等物理量，在建模過程中添加相應的傳感器，傳感器的設置見表2。

表2　傳感器設置

3.3仿真分析

3.3.1地板起火燃燒特性分析

圖2　地板著火火源位置及開窗位置

圖3　地板起火燃燒特性圖

設置火源位置都在列車右端角落的地板上，分3種情況進行分析：1）火災過程窗戶全部關閉；2）400s的時候打開靠近火源（最右端）的兩扇窗戶；3）1000s的時候打開靠近火源（最右端）的兩扇窗戶。火源位置及窗口開啟位置見圖2，圖3為仿真結果。

分析燃燒特性可知，在整個燃燒過程中，車內熱釋放速率都沒達到轟燃的臨界熱釋放速率（13 MW），觀察Smokeview results整個過程也可看到列車沒有局部火向大火的轉變，所以列車沒有發生轟燃現象。打開窗戶之后，車內熱釋放速率曲線變化不大，內端墻拉門處的熱流量在開窗之后瞬間變小，列車中部煙層最低高度變大，即煙霧濃度會變小，天花板溫度也有所降低。

3.3.2座椅起火燃燒特性分析

設置火源位置都在列車中間的座椅上，分3種情況進行分析：1）火災過程窗戶全部關閉；2）400s的時候打開靠近火源的兩扇窗戶；3）1 000s的時候打開靠近火源的兩扇窗戶。火源位置及窗口開啟位置見圖4，圖5為仿真結果。

分析燃燒特性可知，在不開窗的情況下，熱釋放速率曲線在658s達到臨界熱釋放速率13 MW，即發生轟燃現象；若在1000s時打開窗戶，車內熱釋放速率會有短時間的飆升，達到22MW，然后慢慢恢復到開窗前的數值；若在轟燃之前打開窗戶（本文取400s），熱釋放速率會急速上升，在546s達到臨界值14.4MW，即轟燃提前發生。此外，開窗會導致內端墻拉門處的熱流量明顯降低，和地板燃燒的變化一致。但是，由于發生轟燃，打開窗戶會導致列車中部煙層最低高度變小，并且天花板附近溫度會升高，這種變化和地板燃燒變化趨勢相反，這是由于轟燃意味著燃燒由燃料控制向通風控制轉變，打開窗戶之后，外界空氣進入車內，為燃燒提供了氧氣，使燃燒更加劇烈，煙霧濃度變大，車內溫度升高。

圖4　座椅著火火源位置及開窗位置

圖5　座椅起火燃燒特性圖

由上可知，轟燃的發生與起火位置材料有很大關系，座椅材料起火比地板布起火更容易發生轟燃，二者的熱力學參數對比見表3。由表可知，與地板布相比，座椅蒙面布的比熱大、燃燒熱大、吸收系數小。再比較二者單位面積熱釋放速率（見圖1（a）與圖1（c）），同一時間蒙面布的單位面積熱釋放速率要比地板布大。因此，在選擇高鐵材料時，為了避免轟燃現象的發生，應該選擇比熱小、燃燒熱小、吸收系數大，并且單位面積熱釋放速率小的材料。列車發生火災后，熱量積聚在天花板下方，越靠近天花板溫度越高（見圖6），故天花板材料應該具有很好的耐火性。

4　結束語

1）轟燃意味著燃燒由燃料控制向通風控制轉變[8]，如果轟燃發生之后打開門或者窗，由于外界空氣的進入，燃燒火勢會更加旺盛，煙霧濃度增大，溫度急劇上升，熱釋放速率也在短時間內升高，故此時通風是危險的，其危害將不堪設想。但是如果列車從始至終只是局部燃燒，沒有轟燃的可能，打開門窗會在一定程度上降低煙霧濃度和溫度。

表3　熱力學參數對比

圖6　z方向（豎直方向）溫度變化曲線

2）在沒有開窗的情況下，座椅燃燒引起的轟燃時間為658s，意味著在此之前應該完成列車人員疏散；并且列車端墻、天花板以及側墻的耐火時間至少為658s，否則將阻礙人員疏散的進行。

本文通過測試仿真得到結果，PyroSim的一些輸入參數隨著測試環境的不同會發生一定變化，所以文中實驗室得到的數據會存在一定誤差。盡管在國際上已經普遍認可PyroSim的準確性，并且有大量實驗的驗證，但是在中國畢竟還是一個新興的軟件[9]。如本文中，對高速列車的模擬計算結果的驗證需要實際火災場景實驗為佐證。但是該項試驗耗資巨大，危險系數高，準備程序也很復雜，受時間和經費所限，本研究沒有進行實驗驗證。所以進一步的研究方向之一就是通過實驗驗證本文的結果。

參考文獻

[1]肖加余，劉鈞，曾競成，等.復合材料在高速列車上的應用現狀與趨勢[J].機車電傳動，2003（z1）：49-52.

[2]李霞，林建輝.高速列車熱釋放速率模型的驗證[J].重慶理工大學學報（自然科學版），2014（8）：26-29.

[3]徐幼平，周彪，張騰. FDS在工業火災中的應用[J].工業安全與環保，2008，34（5）：60-61.

[4]霍然，范維澄.通風開口高度對室內火災發展的影響[J].消防科技，2001，1（l）：1-5.

[5]劉嘉.通風開口對轟燃影響的試驗研究[D].成都：西南交通大學，2010.

[6] Reaction to fire tests -Heat release, smoke production and mass loss rate -Part 1: Heat release rate（cone calorimeter method）：ISO 5660-1——2002[S]. 2002.

[7] Reaction to fire tests for building Products- Determination of the heat of combustion：ISO 1716——2002[S]. 2002.

[8]黃道燦，彭駿.轟燃預測與滅火戰術要點[J].消防技術與產品信息，2007（8）：51-54.

[9]崔祎菲.檔案館建筑性能化防火設計方法研究[D].青島：中國海洋大學，2012.

（編輯：劉楊）

Materials testing and flashover research in high-speed trains

WANG Jianfan，SU Yanchen
（School of Mechanical and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract:In order to get the data curves for combustion characteristics like heat release rate （HRR）and smoke movement of CRH2 high-speed trains，the authors have tested the automotive materials based on the ISO 5660-1——2002 standard and the ISO 1716——2002 standard and have established a Pyrosim model for the No.4 compartment on a high-speed train accordingly. Through combustion simulation，the authors have obtained the HRR curve，temperature，heat flux and smoke layer height of the train at different ignition locations and under different ventilation conditions. In addition，the authors have used the flashover HRR to determine whether flashover occurred under each working condition and to analyze the fire resistance of the high-speed train CRH2. The study has indicated that the fire on the seat can cause flashover inside the train and will spread quickly if fresh air is let in.

Keywords:heat release rate；flashover；high-speed trains；materials testing

作者簡介：王建帆（1989-），女，山西汾陽市人，專業方向為高鐵防火測試。

收稿日期：2015-03-11；收到修改稿日期：2015-04-16

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.029

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0127-05