飛機客艙不同火源位置火災數值模擬及危險性分析

楊康 朱杰＊

(1、四川師范大學工學院，四川成都 610101 2、四川省公共火災防治技術重點實驗室，四川成都 610101)

隨著我國民航事業的高速發展，飛機已成為人們中遠距離出行首選的交通工具。客艙內部空間狹長，可燃物載量大、分布廣，火災發生時，在極短時間內就能釋放大量的燃燒熱并形成濃密的煙霧，嚴重威脅到乘員安全。研究飛機內部不同位置火災場景下煙氣的蔓延、流動特征和溫度場的分布規律，對于民航客機火災防治有著重要指導意義。

目前，絕大多數民航客機客艙內部未配備專用防排煙系統，火災發生后煙氣蔓延迅速；尤其是飛機客艙作為狹長密閉空間，不同位置起火后的煙氣蔓延規律也呈現差異，目前關于飛機客艙火災煙氣已有相關研究。1960 年，Marcy[1]等第一次利用DC-7 飛機機身進行火災實驗，檢驗客艙材料的燃燒特性。1996年，Sarkos[2]等研究了飛機機身各類材料燒穿實驗，并總結相關實驗數據。2012 年，張青松[3]使用FDS 軟件模擬了多款飛機發生轟然的時間并討論了通風對飛機客艙火災煙氣影響。2017 年，林家泉[4]首次模擬了空調通風狀態下A320 客艙內部火災發生時CO 擴散規律，并得出了風速與火災陰燃產生CO 的擴散范圍的相關性結論。2020 年，薛楊武[5]首次研究了熱輻射強度對A320 客機貨艙側壁板燃燒特性的影響，為此后試驗參數提供理論依據支撐。但國內外關于飛機客艙不同起火點煙氣擴散規律相關研究相對較少。

研究表明，飛機起降過程發生事故的占總事故數的63%。本文以A320 客機為研究對象，利用FDS 數值模擬，在標準大氣壓情況下，研究不同火源位置下發生火災后，客艙內部溫度場、煙氣場變化情況，探究不同火源位置對于客艙內溫度場變化規律和煙氣蔓延情況，為客機火災防治和客艙人員疏散提供參考依據。

1 A320 飛機客艙建模及火災場景

1.1 A320 飛機客艙仿真構建

本文以A320 飛機客艙作為研究對象，其內部客艙尺寸為27.5m×3.7m×2.2m(長×寬×高）；包括26 排經濟艙座椅（每排6 座）和2 排頭等艙座椅（每排4 座），共計164 座，客艙平面圖見1a、FDS 模型圖見圖1b；每排有5 個進風口、2 個出風口，分別位于客艙壁上方和客艙兩側壁底部[4]。

圖1

1.2 測點及切片布置

測點布置如圖2 所示，測點包括熱電偶、煙霧探測器和煙霧高度探測器。在過道位置（Y=1.85m）人眼口鼻活動范圍內（Z=1.6m）縱向每隔2m 布置測點；在過道位置（Y=1.85m）彎腰逃生高度（Z=1.4m）每隔2m 布置測點；在頂棚處（Z=2.1m）縱向每隔2m布置測點；在過道中間位置（Y=1.85m）布置溫度、能見度切片。

圖2 測點及切片布置

1.3 火源功率設定、邊界條件及網格劃分

參考國內外相關文獻，火災由初期增長至轟然階段，熱釋放速率大體以t2指數規律增長，Heskestad[10]指出可用式（1）表示：

Q=αt2（1）

保守選取火源最大熱釋放速率為1.2MW，設置為t2快速火[7-9]，在210 秒時達到最大，此后火源功率保持不變。

飛機正常起降狀態下，設定客艙內部初始溫度293.1K，環境壓力101.325kPa，艙內空調風速恒定2m/s，出風口位于行李架下方模擬計算時間350s。經計算，本文確立劃分0.1m×0.1m×0.1m 的網格尺寸,總計330000 網格。

1.4 火災場景設置

根據結構客艙內部特征，綜合考慮火災發生的各種情況，選定4 個火源位置，分別位于頭等艙座椅F-1=（2，0）、經濟艙客艙前部座椅F-2=（6.5，0）、中部座椅F-3=（13.5，0）和后部座椅F-4=（23.4，0）四個火災場景，如表1。

表1 不同火源位置場景設置

2 仿真結果分析

2.1 火源位于頭等艙模擬結果

火源位于頭等艙時，由火源中心位置沿頂棚前后雙向蔓延，煙羽流卷吸周圍空氣，煙氣迅速充滿頭等艙，0～100s 內，由于連接門的阻擋，煙氣被主要集中在頭等艙頂棚，50s 時，頭等艙煙氣層高度不足1.2m，100s～350s 煙氣越過連接門，向客艙后部蔓延逐漸充滿全部客艙，在模擬實驗設定時間350s 內，整體煙氣高度不足1.2m。內部溫度場、煙密度、煙流層高度變化見圖3a、圖3b、圖3c。

圖3 火源位于頭等艙模擬結果

當起火點位于頭等艙，由于頭等艙空間狹小，熱輻射增強，溫度增長速率較快，210s 時艙內所有安全出口達到人員疏散安全臨界值[10]（65°C），275s 時頭等艙天花板溫度達到600°C；頭等艙單位面積可燃物相較經濟艙更少，熱釋放速率較小，熱釋放速率變化曲線上升趨勢對比其他火源位置增長速率較緩，最大熱釋放速率為1.04MW。

2.2 火源位于客艙前部模擬結果

火源位于客艙前部時，煙氣首先由火源中心位置沿客艙頂棚向后蔓延，100s 后，經濟艙內煙氣達到一定厚度，煙氣越過連接門向前部頭等艙擴散。210s 客艙內部所有位置煙氣層高度均不足1.2m，相較于其他火源位置提前50s～140s。

起火點位于客艙前部時，經濟艙內可燃物較多，艙內溫度場變化趨勢較為明顯，增長速率較快。艙內所有安全出口達到人員疏散安全臨界值時間為190s，相較其他位置提前20s～60s；330s 達到峰值溫度780°C；最大熱釋放速率為2.25MW?？团搩炔繙囟葓觥熋芏?、煙流層高度和熱釋放速率變化見圖4。

圖4 火源位于客艙前部模擬結果

2.3 火源位于客艙中部模擬結果

起火點位于位于客艙中部，不同距離溫度、煙氣密度變化和熱釋放速率變化如圖5。由于A320 客艙內部結構并不完全對稱，使客艙內前、后部溫度場、煙氣密度略有差異。

圖5 火源位于客艙中部模擬結果

當火災處于初起階段，煙氣由客艙中部位置沿頂棚前后雙向蔓延，由于客艙后端無結構阻擋，氣體對流較強；客艙前段的連接門削弱了熱對流，導致客艙后部溫度和煙氣密度高于客艙前部溫度和煙氣密度，越靠近火源中心，這一趨勢越明顯；隨著火災進一步發展，火勢變大，前后部差異逐漸縮小。320s 時頂棚溫度達到600°C，最大熱釋放速率為2.03MW。

2.4 火源位于客艙尾部模擬結果

火源位于客艙尾部時，煙氣沿頂棚向前蔓延，經濟艙內部無結構阻擋，煙氣蔓延較為迅速，煙流層達到一定厚度后，向頭等艙擴散。150s 經濟艙內煙流層高度不足1.2m；270s 客艙內部所有位置煙氣層高度均不足1.2m。客艙內部溫度場、煙密度、煙流層高度變化見圖6a、6b、6c。

當起火點位于客艙尾部，艙內所有安全出口達到人員疏散安全臨界值時間為240s，330s 時，達到峰值溫度730°C，最大熱釋放速率1.88MW，如圖6a。

2.5 實驗結果分析

由模擬實驗得出，飛機客艙內部起火后，火羽流撞擊頂部，煙氣迅速上升至頂棚，在熱浮力的驅動下，由火源中心位置沿頂棚前后雙向蔓延，形成頂部煙氣層，由于前端門阻擋，煙氣整體逐漸向下填充，達到一定厚度，直至充滿整個客艙。

A320 客機雙側共計8 個安全出口，緊急情況下均可作為逃生出口使用，不同起火點對應的安全疏散臨界時間各條件如表2。由實驗數據得出，當起火點位于客艙前部時，艙內所有安全出口溫度、煙氣層高度和能見度達到臨界值時間最短，危險來臨更快。

表2 不同火源位安全疏散條件臨界時間

3 結論

本文建立A320 飛機客艙仿真模型，模擬起、降狀態下飛機客艙內不同位置發生火災后的情況，得到客艙內溫度場、煙氣濃度場、熱釋放速率等數據，分析煙氣蔓延規律得處以下結論。

3.1 通過模擬發現，當火源位于客艙中、前部時，其熱釋放速率較大、人員安全疏散時間最短、煙氣流層變化最快，火災發生后相較于危險性更大，應重點強化該區域的消防安全防治。

3.2 由于飛機內部自身結構，飛機前、后部的火災并不是對稱發展?；馂陌l生前期，前部連接門阻隔了部分煙氣，客艙前段氣體對流弱于后段，導致客艙后部溫度略高于前部溫度，隨著火災發展，這一差距會逐漸縮小。

3.3 由于飛機客艙內部未配備專用防排煙系統，火災產生的大量煙氣向上流動，熱量不易排出，熱量大量積累使受限空間內的熱系統失衡，短時間內導致空間內溫度驟升，較其他受限空間更早發生轟燃。