初始引火源燃燒特征對動車車廂轟燃的影響研究*

邢文典，王明年，李 琦

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031;3.四川農業大學 建筑與城鄉規劃學院，四川 都江堰 611830)

0 引言

中國高速鐵路發展迅速，高鐵出行以其安全、舒適、快捷的特點，越來越受到人們的青睞[1]。動車載客量大，運行速度快，車輛內部空間封閉，可燃物多且集中，一旦發生火災，燃燒蔓延迅速，將造成嚴重的人員傷亡和財產損失[2]。火災在自然發展狀態下一般由局部逐漸向周邊蔓延，當條件充足時，在某一瞬間火勢急劇增大，溫度驟然升高，引起可燃空間內所有可燃物表面同時燃燒，這種轉變現象稱為轟燃，標志著火災充分發展的開始[3-4]。轟燃發生前是控制和消滅火災的關鍵時期，對于動車組列車，研究火災車廂的轟燃對于列車火災防控具有重要意義。

關于列車火災的研究，歐洲、美國、日本等國家和地區的研究機構先后開展了列車材料特性測試、火災動力學、火災風險分析等一系列研究項目[5]。最具代表性的是20世紀90年代初歐洲九國聯合開展的EUREKA499項目[6]，進行了包括德國城際特快列車(ICE)和德國城際列車(IC)在內的列車火災實驗。近年來，SP瑞典國家技術研究所又展開了列車全尺寸火災實驗[7-8]。國內方面，2015年公安部天津消防研究所等機構首次開展了地鐵車廂燃燒性能實體火災大型實驗，獲得了車廂熱釋放速率、車廂內溫度分布、煙氣濃度、輻射熱等一批基礎實驗數據。陳俊敏等[9]對CRH1型動車組一等座車廂在不同通風條件時的火災熱釋放速率進行了數值模擬研究，并考慮了旅客行李的影響；王建帆等[10]對CRH2型動車組列車主要可燃材料進行了熱釋放速率試驗測試，理論計算了不同通風條件下的車廂轟燃臨界熱釋放速率，并數值模擬得到了車廂轟燃時間和熱釋放速率；代仲宇等[5]研究了鐵路隧道旅客列車火災熱釋放速率的確定方法，通過模擬擬合國外列車火災實驗的最高溫度數據，確定了普通旅客列車火災峰值熱釋放速率為20 MW，動車組列車火災峰值熱釋放速率為15 MW。

以上關于列車火災的研究主要集中在列車燃燒的最大熱釋放速率上，對于動車組列車火災的轟燃研究較少。轟燃的主要影響因素包括：火源、燃燒空間結構尺寸、開口通風因子、可燃物燃燒特性和內襯材料熱慣性等[11]。影響轟燃的火源因素主要包括：火源的熱釋放速率、燃燒持續時間、面積和位置等[12]。本文針對初始火源熱釋放速率及其燃燒持續時間對動車組車廂火災轟燃的影響展開研究，旨在得出動車組車廂轟燃的初始引火源臨界熱釋放速率、不同初始引火源熱釋放速率下車廂轟燃時間和不同初始引火源熱釋放速率下最佳滅火時間。

1 動車組車廂的轟燃判據

熱釋放速率可以用來判斷列車車廂內轟燃是否發生。Thomas[13]提出了轟燃臨界熱釋放速率計算方法：

(1)

其中：q為臨界熱釋放速率，kW；AT為內表面總面積，m2；A0為門窗等通風開口面積，m2；H為門窗等通風開口高度，m。

本次計算模擬列車車廂內表面總面積AT=271 m2，車廂外門通風開口面積A0=7.38 m2，車廂外門通風開口高度H=2.05 m。

根據臨界熱釋放速率計算公式得到，動車組車廂轟燃發生的臨界總熱釋放速率為6 100 kW。

2 動車組車廂結構及材料燃燒特性

2.1 動車組車廂結構特征

選擇CRH380BL型動車組二等座車廂為研究對象。車廂尺寸為24.825 m×3.257 m×3.890 m(長×寬×高) 。車廂內部結構布置如圖1所示，各結構尺寸、數量等參數見參考文獻[14]。

采用火災動力學三維模擬軟件FDS建立了動車組車廂火災模型，考慮最不利火災位置，初始引火源設置在車廂中部地板附近，尺寸為1 m×1 m；車廂通風開口為開啟車廂4扇外門。參考文獻[15-16]計算模型網格，經計算劃分尺寸為0.1 m。車廂火災燃燒計算模型如圖2所示。

圖1 CRH380BL型動車組二等座車廂內部結構Fig.1 The internal structure of the second-class carriage of CRH380BL

圖2 車廂火災計算模型Fig.2 The simulation model of the carriage

2.2 動車組車廂材料燃燒性能參數

動車組車廂內的可燃物主要包括座椅、行李架、車窗、內飾等，其主要使用材料為PVC、聚碳酸酯、鋁合金、聚氨酯泡沫和紡織物，內裝飾材料中型材及地板面主要是鋁型材和鋁板材[17]。各種可燃材料的燃燒性能參數見表1和圖3(a)～(c)[9]。

3 動車組車廂火災轟燃研究

3.1 基于車廂轟燃的初始引火源熱釋放速率臨界值確定

假設初始引火源持續燃燒，通過改變初始引火源熱釋放速率，明確車廂內發生轟燃的臨界初始引火源熱釋放速率值。模擬火災燃燒時間為30 min，初始引火源熱釋放速率取10種，分別為100，150，160，200，300，400，500，600，800和1 000 kW。

表1 動車組車廂內可燃材料燃燒性能參數Table 1 The combustion performance parameters of combustible materials in the EMU carriage

圖3 動車組車廂內可燃材料熱釋放速率—時間曲線Fig.3 Heat release rate-time curve of the combustible materials in the EMU carriage

以初始引火源熱釋放速率400 kW為例，動車組車廂內燃燒過程如圖4所示。

圖4 初始引火源400 kW熱釋放速率車廂內燃燒過程Fig.4 The combustion process in the carriage with the 400 kW heat release rate of the initial ignition source

由圖4可知，初始引火源的熱釋放速率為400 kW，模擬106 s時，初始引火源附近前后2排的座椅開始燃燒；模擬673 s時，燃燒蔓延到初始引火源附近前后4排座椅；模擬920 s時，車門通風開口火焰噴出，可以認為此時車廂內已發生轟燃；模擬977 s時，火災蔓延至整個車廂。

以車廂內總熱釋放速率達到6 100 kW作為動車組車廂轟燃的判據，不同熱釋放速率初始引火源燃燒時車廂內總熱釋放速率隨時間變化曲線如圖5所示。

由圖5可知：當初始引火源熱釋放速率≤150 kW時，動車組列車車廂內峰值熱釋放速率<臨界熱釋放速率6 100 kW，未發生轟燃；當初始引火源熱釋放速率≥160 kW時，動車組列車車廂內峰值熱釋放速率>臨界熱釋放速率6 100 kW，發生轟燃。且6 100 kW處于車廂內總熱釋放速率急劇增長階段，符合發生轟燃現象的特點。

因此，造成車廂轟燃的初始引火源熱釋放速率臨界值確定為160 kW，即初始引火源熱釋放速率低于160 kW時，車廂火災不會發生轟燃。

3.2 基于初始引火源熱釋放速率的車廂轟燃時間確定

隨著初始引火源熱釋放速率的增大，動車組列車車廂發生轟燃的時間變短。提取不同熱釋放速率初始引火源引起動車組車廂轟燃的時間，如表2所示。

圖5 不同熱釋放速率初始引火源動車組車廂內熱釋放速率—時間曲線Fig.5 Heat release rate-time curve in the EMU carriage with different heat release rate initial ignition sources

表2 不同熱釋放速率初始引火源車廂轟燃時間Table 2 Flashover time of different heat release rate initial ignition sources

繪制初始引火源熱釋放速率與車廂轟燃時間關系擬合曲線如圖6所示。

圖6 初始引火源熱釋放速率與車廂轟燃時間關系曲線Fig.6 The relationship between the heat release rate of initial ignition source and flashover time

由圖6可知，動車組列車車廂轟燃時間與初始引火源熱釋放速率之間存在乘冪函數關系。關系式為：

Th=186 012HRR-0.902

(2)

式中：HRR為初始引火源熱釋放速率，kW；Th為車廂轟燃時間，s。

3.3 基于車廂轟燃的初始引火源燃燒持續時間確定

實際情況中，燃燒一段時間后，由于燃燒物質耗盡，初始引火源將熄滅，車廂頂部附近熱煙氣層積聚的熱量會減弱，進而影響車廂轟燃的發生。因此，明確初始引火源的最短燃燒持續時間是控制火災規模擴大的關鍵。

初始引火源熱釋放速率取160，200，300，400，500，600，800和1 000 kW共8種，分別計算得到了車廂發生轟燃時，各初始引火源熱釋放速率情境下對應的燃燒持續時間最小值。以初始引火源熱釋放速率值為400 kW為例，初始引火源燃燒持續時間與車廂內總熱釋放速率關系曲線如圖7所示。

由圖7可知，400 kW初始引火源燃燒持續時間在70，74 s時，車廂內總熱釋放速率未達到臨界熱釋放速率6 100 kW，未引起車廂內轟燃；初始引火源燃燒持續時間在76，80 s時，車廂內總熱釋放速率達到超過臨界熱釋放速率6 100 kW，車廂內發生轟燃。

不同熱釋放速率初始引火源燃燒持續時間對車廂轟燃的影響如表3所示。

表3 不同熱釋放速率初始引火源燃燒持續時間對車廂轟燃的影響Table 3 The effect of different heat release rate initial ignition sources with different heating time on flashover

圖7 400 kW初始引火源不同燃燒持續時間車廂內總熱釋放速率變化曲線Fig.7 The carriage heat release rate curve of 400kW initial ignition source in different heating time

續表3

由可表3可知，隨著初始引火源熱釋放速率的增大，引起動車組列車車廂發生轟燃所需的初始引火源燃燒持續時間變短。

初始引火源熱釋放速率與臨界燃燒持續時間關系曲線，如圖8所示。

圖8 初始引火源熱釋放速率與臨界燃燒持續時間關系曲線Fig.8 The relationship between the heat release rate of initial ignition source and the critical heating time

由圖8可知，引起動車組列車車廂轟燃的初始引火源，其熱釋放速率與臨界燃燒持續時間之間同樣存在乘冪函數關系。關系式為：

Tr=2×109HRR-2.777

(3)

式中：HRR為初始引火源熱釋放速率，kW；Tr為初始引火源臨界燃燒持續時間，s。

初始引火源臨界燃燒持續時間可以理解為將火災發展分為2個階段：在臨界燃燒持續時間Tr前，初始引火源對火災發展起決定性作用，初始火源周圍的小部分可燃物被引燃，其燃燒產生的熱量還很小，撲滅火源后，燃燒的可燃物釋放的熱量不足以維持和擴大火勢，不能夠引起轟燃；在臨界燃燒持續時間Tr后，初始引火源引燃的可燃物增多，其釋放的熱量對于整個車廂內熱量的增加而言開始占主導，即使初始火源熄滅，火勢依然會繼續發展增大，隨著可燃物燃燒數量和范圍的擴大，最終引起轟燃。

這樣初始引火源臨界燃燒持續時間可以作為滅火的最佳臨界時間。在臨界燃燒持續時間前及時撲滅初始火源可以防止動車組列車車廂轟燃的發生。

4 動車組列車火源危險性分析

高速鐵路動車組列車發生火災的初始火源主要來自旅客的行李物品，常見物品包括行李箱、衣物、手提電腦、雜志報紙書籍等。

根據文獻[18]的研究成果，本文匯總得到上述物品的火災熱釋放速率特性，如表4所示。

表4 旅客行李物品火災熱釋放速率特性Table 4 Heat release rate characteristics of passenger luggage

根據表4匯總的動車組列車常見初始火源的火災熱釋放速率特性得到：單一質小的火源較難引起列車車廂的轟燃，例如少量衣服、一個裝滿衣服的行李箱等，其產生的熱釋放速率都小于引起車廂轟燃的最小初始引火源熱釋放速率160 kW；物品的放置方式對產生的熱釋放速率具有很大影響，例如10件懸掛的襯衫可以產生410 kW的峰值熱釋放速率，而10件折疊的襯衫只能產生35 kW的峰值熱釋放速率；電子類產品燃燒可以產生較大的熱釋放速率，例如一臺筆記本電腦的峰值熱釋放速率可以達到400 kW；紙質產品由于易燃易蔓延的特性，大量堆積在一起可以產生較大的峰值熱釋放速率，例如15 kg的雜志報紙書籍燃燒產生了3 500 kW的峰值熱釋放速率，足以引起列車車廂的轟燃。

根據動車組列車的實際旅客行李物品攜帶特點——行李箱連續布置于行李架上、衣物不會出現懸掛狀態、不會出現大量堆積紙質產品等，為防止和預防動車組列車車廂發生轟燃，需要注意以下兩點：雖然一個裝滿衣物的行李箱火源不足以引起車廂轟燃，但因為行李箱連續排列的特點，火源很容易擴大，當一個行李箱著火后應及時采取措施防止引燃相鄰行李箱；電子類產品如手提電腦起火后應格外注意并及時處理。

5 結論

1)高速鐵路動車組車廂發生轟燃的初始引火源臨界熱釋放速率為160 kW。

2)初始引火源熱釋放速率越大，引起動車組車廂轟燃的時間越短。

3)初始引火源熱釋放速率越大，引起動車組車廂轟燃所需的初始引火源燃燒持續時間越短，。

4)高速鐵路動車組車廂內常見的主要火源來自旅客的行李物品，其燃燒產生的熱釋放速率一般較小，不足以引起車廂內的轟燃，但應防止電子類產品著火以及火源的進一步蔓延。

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