高速列車火災疏散性能研究

田 鑫 蘇燕辰 席亞軍 王建帆

(1.西南交通大學機械工程學院,610031,成都; 2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,610031,成都∥第一作者,碩士研究生)

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高速列車火災疏散性能研究

田 鑫1蘇燕辰1席亞軍2王建帆1

(1.西南交通大學機械工程學院,610031,成都; 2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,610031,成都∥第一作者,碩士研究生)

針對高速列車火災逃生通道狹小的特點,首先利用Pyrosim仿真軟件結合真實燃燒試驗所得的材料參數,進行了列車的火災仿真。通過火勢擴散程度、溫度、熱流量和煙層高度變化,確定了火災狀況下列車內乘客的極限逃生時間。然后通過人群疏散演練試驗,并用Pathfinder軟件對疏散情況仿真建模,確定了人群實際的疏散逃生時間。在列車中部起火后,引導疏散方案與自由疏散方案均能滿足仿真所得的極限逃生時間要求,但引導疏散方案的效率更高。 通過對整列列車的軌道面疏散仿真發現,若配有逃生梯的車廂起火,應及時將逃生梯轉移,以大幅提高疏散效率。

高速列車; 火災疏散; 仿真研究

First-author′s address School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,610031,Chengdu,China

高速列車以其舒適、安全、便捷、環保等優勢,近年來得到了快速發展,截至2015年底，我國高速列車運營里程突破1.9萬km,高居世界第一。高速列車通道狹小,如發生火災將嚴重危害車上人員的生命財產安全。文獻[1]運用計算流體動力學的方法模擬分析了高速列車在火災繼續運行模式下的人員逃生安全性。文獻[2]利用FDS軟件探究了火災危害因素，進而討論了隧道內列車火災疏散的安全性。文獻[3]探討了CRH1型高速列車不同火源位置對人員疏散的影響。

本文通過火災數值仿真進行真實場景的疏散演練,并從對整列列車進行軌道面疏散仿真入手,來綜合研究列車突發火災的疏散問題。首先，通過實際材料的燃燒試驗得到相關材料參數,再利用Pyrosim火災模擬軟件建模進行火災數值模擬,并通過分析溫度及煙氣等對人員疏散構成威脅的參數來確定可用的疏散時間[2]；然后，通過對真實場景的人員疏散演練試驗及疏散仿真模擬,確定實際耗費的疏散時間；最后，結合具體的場景分析,探討高速列車的火災疏散性能。

1 高速列車熱釋放仿真

1.1 Pyrosim軟件建模

火災分析軟件FDS廣泛應用于火災模擬分析。Pyrosim是一款用于FDS軟件預處理和后處理的圖形軟件,因其使用便捷,在FDS建模分析中被普遍采用[4-6]。

本文分析所用的車輛模型為CRH2型高速動車組,其車體尺寸與幾何參數均與真實車輛相同。材料的熱力學參數基于試驗所得數據,且所做試驗均參照燃燒熱釋放相關標準制定[7-8]。列車內飾主要材料的熱力學參數如表1所示。仿真所采用的火源位于列車中部座椅處。火源面積為0.04 m2,火源的功率為0.02 MW。列車仿真模型及火源位置如圖1所示。

表1 列車內飾主要材料的熱力學參數

圖1 列車仿真模型及火源位置

1.2 熱釋放仿真結論

根據表1的熱力學參數,在Pyrosim中建模，模擬分析火災擴散趨勢、溫度、熱流量及煙層高度,得到圖2～圖4。

圖2 車廂中部溫度變化

圖3 右端車門處的熱流量變化

圖4 車廂中部位置煙層高度變化

根據模擬結果，火源起火200 s后,車廂中部火勢加速擴大,并開始引燃周邊座椅。火勢有蔓延趨勢,將對車廂內乘客的生命安全構成威脅。因此在車廂內火勢擴散前,乘客需要離開車廂。

從圖2可知,當火災發生226 s后,車廂中部溫度呈現指數型上升趨勢,迅速超過人體可接受的極限溫度(100 ℃),并在475 s左右達到臨界穩定溫度450 ℃。因此，應在火災發生后226 s內將乘客疏散離開車廂。

從圖3可知,在火災發生294 s內,端門處的熱流量尚基本穩定；但在294 s時端門處熱流量突然發生跳變急劇上升,達到對人體構成威脅的閥值(2.5 kW);在火災發生600 s時車廂內的熱流量達到臨界值(800 kW左右)，此后才穩定下來。此時，環境已不適合人類的存在,應避免車廂附近仍然有乘客逗留。

從圖4可知,在火災發生72 s后,煙氣層的高度跳變至1.5 m,基本處于人體呼吸的位置。煙氣中包含的有毒氣體(CO等)會對疏散人員構成危害。此時,車廂內的乘客應盡量低身前進,并迅速撤離。

2 疏散演練試驗及仿真

2.1 疏散演練試驗

2.1.1 疏散演練試驗概況

演練模擬選擇位于列車中部的7號車廂。疏散按自由疏散和引導疏散兩種情況進行。車廂滿載乘客共85人。乘客自響應起火開始轉移,從兩端車門離開車廂。演練使用煙霧彈模擬起火的現場煙氣工況。演練示意圖見圖5。

圖5 列車7號車廂(二等座車廂)中部起火疏散演練示意圖

本次演練試驗參加人員多為男性。試驗人員肩寬尺寸平均值為45.02 cm,最大值為55 cm,最小值為39 cm；年齡平均值為28.39歲,最大值為55歲,最小值為21歲。為了確定在列車內人員的行走速度,試驗記錄了50位參演人員經過7號車廂2個內端門的時間差及這2個內端門之間的距離,進而計算得到人員的行走速度。自由疏散時，人員行走速度呈標準偏差為0.21 m/s、均值為1.52 m/s、最大值為2.35 m/s、最小值為1 m/s的正態分布。引導疏散時，人員行走速度呈標準偏差為0.68 m/s、均值為2.49 m/s、最大值為4.37 m/s、最小值為1.79 m/s的正態分布。可見,引導疏散相比自由疏散能夠大幅減少疏散時間。

2.1.2 消防設施配置

列車車廂內合理配置消防設施可對人員的安全疏散起到重要作用。列車全車廂配置了煙火報警系統。發生火災時車廂內的空調會自動關閉以減弱火勢蔓延。車廂之間設置了防火隔離門，其與墻壁接觸處的膠條受熱會膨脹,能有效減弱煙氣擴散。8輛編組的列車在部分車廂的備品柜中放有逃生梯/救援渡板,可向地面及救援列車疏散乘客。

2.1.3 疏散演練效果

從實際的疏散演練可以看出,引導疏散使人群更有秩序,不會發生多人擁擠現象。由于人群在車廂內面對煙氣環境會產生急躁心理,出現躁動,進而降低疏散效率,因而相對于引導疏散，自由疏散的響應時間和轉移時間均有所增加。可見,當車廂內發生火災時，對人群進行適當引導更有助于規避風險。具體疏散時間統計見表2。

表2 疏散演練時間統計表

2.2 安全疏散模擬仿真

Pathfinder軟件通過對環境、人員屬性等參數的設置,使仿真更加逼近真實結論[9]。軟件中針對疏散有SFPE和Steering兩種模式可以選擇,本文采用基于多智能體技術設計的Steering模式作為人員疏散的指導機制進行仿真[10-11]。

仿真假定滿載乘客的列車7號車廂(二等座車廂)中部起火。列車緊急制動并搭設逃生梯進行軌道面疏散。疏散人員應盡量遠離起火車廂。由于空間狹小及需搭設逃生設施等限制,所以軌道面疏散耗時較長。7號車廂搭載有1架逃生梯。疏散方案分為逃生梯未及時轉移至其他車廂(方案一)和及時轉移至其他車廂(方案二兩種。逃生梯設置方案見圖6及圖7。為更接近真實狀況,仿真采用自由疏散的時間參數,而人員參數(如肩寬、舒適距離及行走速度等)根據疏散演練的數據合理設置。

圖6 方案一

圖7 方案二

仿真采用的逃生梯參數(幾何尺寸及速度參數)為疏散演練時所統計的真實數值。2種方案的軌道面疏散時間仿真結果見表3。根據仿真結果，及時將起火車廂備品柜中的逃生梯轉移,可大幅提高疏散效率。

表3 軌道面疏散時間統計

3 結論

通過對列車的火災數值仿真、實際疏散演練及軌道面疏散仿真的研究,可得到如下結論:

(1) 分析列車起火后的火勢擴展、溫度變化、煙氣層高度變化及熱流量變化可知,車內轉移時間應盡量控制在火災發生72 s之內。因為列車座椅起火72 s后,產生的毒害煙氣將對人體正常呼吸構成危害。車廂內轉移的乘客應盡量低身前進。火災發生后200～300 s時,車內溫度、火勢、熱流量都會發生大幅提高。此時，人群應盡量遠離起火列車。

(2) 通過疏散演練發現,在列車中部起火的情況下,引導疏散與自由疏散均能在煙氣及溫度對人體構成威脅前使乘客安全撤離車廂。引導疏散方案效率更高。

(3) 針對7號車廂(二等座車廂)起火的情況,通過對列車的軌道面疏散仿真發現,只有3個逃生梯時，全車乘客轉移耗時610 s；而4個逃生梯均能使用時，全車乘客轉移耗時475 s。可見，在配有逃生梯的車廂起火時,應及時轉移逃生梯,以大幅減小疏散時間。

(4) 列車的材料燃燒測試結果及人員的實際疏散演練結果均驗證了Pyrosim軟件對火災數值模擬計算的實用性。Pathfinder軟件的人員疏散仿真能為乘客疏散逃生提供指導幫助。

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Research on the Evacuation of High-speed Train in Fire Disaster

TIAN Xin,SU Yanchen,XI Yajun，WANG Jianfan

In view of the narrow escape passage on high-speed train when a fire breaks out,the case in running train is simulated based on material parameters obtained by Pyrosim simulation software combined with real combustion test.The ultimate escape time for passengers in case of fire is confirmed by investigating into the changes of fire spreading degree,temperature,heat flow and smoke layer height. Subsequently,the actual evacuation and escape time are confirmed by crowd evacuation drill and test,Pathfinder software is used for simulation modeling on the evacuation.When the fire bereaks out in the middle of the train,both the guided evacuation time and the free evacuation time can meet the limit time through fire numerical simulation,but the efficiency of guided evacuation is higher.By simulating the orbital plane evacuation of the whole train,if the carriage with emergency ladder is on fire,the ladder should be transferred in time to improve the evacuation efficiency substantially.Key words high-speed train; fire evacuation; simulation

U298.4∶U292.91+4

10.16037/j.1007-869x.2017.06.015

2016-04-22)