基于FDS的高鐵站多功能候車座椅火災輻射分析

楊 蔚，馬 益，顧 滿

(上海富士特消防安全咨詢有限公司，上海 200032)

0 引言

高鐵站作為城市的交通樞紐，有著人員流動密度大、火災危險性大等特點[1]，消防安全受到廣泛關注[2]。隨著高鐵站的設計越來越人性化，為給旅客提供更舒適的候車體驗，多功能候車座椅在高鐵站候車廳得到廣泛應用[3]。多功能候車座椅是一種帶有按摩功能的座椅，更容易引發大規模火災，且多功能座椅體積較大[4]，火災發生后的疏散過程，可能會阻擋車站內人員的疏散路線，影響車站內的人員疏散。

本文以某高鐵站布置的多功能按摩座椅為例，對高鐵站內多功能候車座椅整個火災過程進行深入分析，為高鐵站內候車座椅的布置間距及消防安全管理提供依據。

1 整組多功能候車座椅火災數值模擬

1.1 FDS數值模擬方法

火災動力學模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)是基于場模擬的火災模擬軟件，重點對燃燒場景內的熱煙氣流動和熱量的傳輸進行計算[5]。通過FDS軟件，將計算區域分為大量的控制體，通過數值計算分析求解各個小單位的關系式，由計算機求得控制體的各個參數值，從而對火災的燃燒場景進行較為細致的描述。

1.2 模型建立

本文選用某高鐵站所布置的整組多功能候車座椅為研究對象，共12座。座椅包括靠背、坐墊、腳墊、扶手、底座等部分。座椅底座設置成惰性材料，兩側扶手和外殼設置成經調整后的PVC(即ABS固體)，其余的設置為FOAM聚氨酯泡沫，并帶有0.01 m厚度的PU皮革層。

1.3 模擬設置

根據多功能候車座椅檢測報告，多功能候車座椅最大熱釋放速率為84.43 kW。因此本文選取84.43 kW作為本次模擬的預估火源熱釋放速率。在y方向設置一排熱電偶和熱輻射測點用于測量溫度和熱輻射衰減，設置若干切片觀察溫度分布情況。

2 模擬結果分析

2.1 熱釋放速率分析

圖1為整組多功能候車座椅同時被點燃時的火災熱釋放速率(HRR)變化曲線。可以看出，整組多功能候車座椅同時被點燃時，HRR發展前期類似于t2火趨勢發展，最大HRR為1 020 kW，與整組多功能候車座椅同時燃燒時的最大HRR=12×84.43 kW=1 013.16 kW接近，因此用該簡化模型分析整組多功能候車座椅火災外場輻射情況是合理的。

圖1 整組多功能候車座椅同時被點燃的HRR變化曲線

2.2 溫度和熱輻射衰減分析

本文選取了數量最多的整組12座、位于靠近高鐵站候車室入口西側位置的多功能候車座椅作為溫度和熱輻射衰減的評估對象，位置布置如圖2所示。其中南北整組間距2.50 m、東西整組間距2.50 m。以整組12座多功能候車座椅中心為原點，建立坐標軸，探究火災發生時的溫度和熱輻射衰減。

圖2 多功能候車座椅布置和坐標設定

圖3表示不同位置D處的溫度和熱輻射隨時間變化曲線。可以看出，不同位置D處的溫度和熱輻射的變化趨勢與HRR變化曲線相似，均表現為先增大后穩定，最終降低的趨勢。同時可以看出，D值越大，溫度和熱輻射越小。從圖 3中可以看出，穩定階段內的溫度和熱輻射最高，因此本文選取穩定階段的溫度、熱輻射平均值作為位置D處的溫度、熱輻射特征值，如圖 4所示。不難發現，溫度和熱輻射隨位置D呈指數衰減，其中距離火源最近的測點溫度最高約為250 ℃，溫度在3.5 m處衰減至環境溫度。

圖3 不同位置D處熱輻射和溫度隨時間變化曲線

圖4 外場熱輻射和溫度衰減曲線

事實上，溫度、熱輻射以及可燃物表面接收熱量的時間共同決定了可燃物是否可以被點燃。考慮最不利原則，本文認為可燃物表面在一定時間內所接收的輻射熱流達到臨界輻射熱流強度時就會被引燃。本文選用的多功能候車座椅，主要由皮革、絨布、耐磨布、海綿、吹塑料、注塑料等材料組成，因此本文采用聚亞氨酯材料臨界輻射熱流強度7 kW/m2作為引燃相鄰座椅的指標。圖 4中Φ*=7 kW/m2的直線與外場熱輻射曲線的交點，即為臨界安全距離D*，可以得到臨界安全距離D*約為0.65 m。

3 整組多功能候車座椅熱輻射理論計算

火源外場熱輻射理論計算公式如下[6]：

(1)

對于一個單一的火焰，如果火焰尺寸較小，可將火焰輻射模型簡化為一個點源輻射，而本文整組多功能候車座椅長度約為4.7 m，熱輻射衰減的研究區域為0～5.0 m，多功能候車座椅總長度約等于研究區域距離，因此如果將整組多功能候車座椅看作一個整體的點源輻射是不合理的。相反的，單一多功能候車座椅尺寸為0.775 m，寬0.630 m，高1.080 m，遠小于5.0 m，可簡化為一個點源輻射模型。基于此，本文對整組多功能候車座椅火災進行簡化處理，并作出以下簡化假設。①設整組多功能候車座椅是由N個單一多功能候車座椅組成，即組成了N個點源輻射。②假設可燃物接收輻射位置是一個微元面，且該微元面正對著第一個著火座椅。③假設多功能候車座椅火源之間不會互相影響，即單一多功能候車座椅的熱釋放速率恒定。

基于上述假設，各單一多功能候車座椅均會對外場某個微元面產生熱輻射的影響，如圖5所示。

圖5 整組多功能候車座椅火災熱輻射線性疊加計算原理

根據圖5，可得到簡化后的線性加合模型公式，用于計算可燃物微元表面所接收的總熱輻射：

(2)

其中x為目標可燃物距離著火座椅質心距離的正切值(注意該公式假設了微元面的位置)。i代表火蔓延至第i個多功能候車座椅序數，也表示有2i-1個多功能候車座椅同時處于充分燃燒階段。

考慮到最不利原則，本文忽略正面多功能候車座椅對背面多功能候車座椅的熱輻射遮擋作用，設計了公式估計不考慮遮擋的輻射，即假設整組多功能候車座椅均處于充分燃燒階段，并作出以下簡化假設。①兩個背靠背的著火多功能候車座椅可視作同一個輻射點源，其質心位置為兩個多功能候車座椅的中心。②兩個背靠背著火多功能候車座椅的火源熱釋放速率為單一多功能候車座椅的2倍。③正面多功能候車座椅不會遮擋背面多功能候車座椅的熱輻射。

使用疊加公式(2)，帶入數據得到：

(3)

利用MATLAB進行疊加計算，得到結果如圖6所示，可以看出，整組多功能候車座椅均處于充分燃燒階段時，臨界引燃距離 D*約為0.7 m。

圖6 不同距離微元面接收的輻射熱計算(不考慮遮擋)

4 結論

本文以某高鐵站多功能候車座椅為例，選擇數量最多的整組12座新增多功能候車座椅，建立了FDS模型，并簡化了材料熱解反應，分析了整組多功能候車座椅的熱釋放速率變化情況，探究了整組多功能候車座椅均處于充分燃燒階段時對外場溫度和熱輻射的影響，對整組多功能候車座椅的臨界引燃距離進行計算，主要結論如下。

1)利用FDS得出的整組候車座椅的熱釋放速率與理論值相近，不同位置D處的溫度和熱輻射的變化趨勢與HRR變化曲線相似，均表現為先增大后穩定，最終降低的趨勢。

2)考慮最不利原則，通過FDS仿真模擬得出整組12座多功能候車座椅均處于充分燃燒階段時的臨界引燃距離D*約為0.65 m。

3)根據最不利原則，忽略了正面多功能候車座椅遮擋作用，通過理論計算可得出整組12座多功能候車座椅均處于充分燃燒階段時的臨界引燃距離D*為0.7 m。