高速列车热释放速率模型的验证

李霞，林建辉

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都 610031)

高速列车热释放速率模型的验证

李霞，林建辉

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都 610031)

为了验证高速列车热释放速率模型的可靠性及有效性，基于ISO 9705标准对由列车材料组成的样件模型进行了燃烧实验，并通过相应的软件仿真对其进行验证，比较实验结果与模拟结果的吻合度。结果表明:Pyrosim软件仿真对于模拟高速列车燃烧的热释放速率有很好的吻合度。

高速列车;ISO 9705标准;Pyrosim模拟;热释放速率模型

长期以来，国外对列车安全非常重视，特别是对于列车防火安全问题投入了大量的人力物力进行研究。这是由于列车火灾不同于其他一般场合的火灾［1］，不仅在爆发的方式、发展和蔓延情况方面有所不同，而且其所造成的损害以及人员的疏散也具有一定的特殊性。首先，列车运行速度快，一旦发生火灾，人员不能立即逃生;其次，列车的火灾荷载大，这是造成人员伤亡的主要原因。因此，对于列车防火安全的研究显得尤为重要。本研究建立了热释放速率仿真模型，进行了实物燃烧测试试验，将试验结果与仿真结果进行对比，以校核仿真模型的吻合性，并在此基础上对模型进行修正，以达到验证动车组整车热释放速率仿真模型的目的。

1 ISO 9705大尺寸模型试验

1.1 样件尺寸及试验装置

热释放模型样件的体积为1 m3，尺寸大小及材料组成为:铝蜂窝地板22 mm×1 010 mm× 1 025 mm，3D蜂窝墙板10 mm×1 000 mm×1 000 mm，发泡板间壁25 mm×1 000 mm×1 000 mm。试验装置按照ISO 9705标准的规定进行布置。ISO 9705标准试验房间［2］是研究壁面装饰材料火焰蔓延特性的常用试验装置，它的尺寸为3.6 m× 2.4 m×2.4 m(长×宽×高)。试验房间门设在一侧短边墙的中心，尺寸为0.8 m×2.0 m(宽× 高)，其他墙体、地板以及顶板无通风口。试验房间门口外正上方安装有锥形集烟罩，集烟罩与排烟管相连，主要收集燃烧的烟气，经取样处理及冷却系统输送至烟气分析系统。标准试验间门口布置7个热电偶传感器，天花板上方布置6个热电偶传感器，分别用来测试门口以及天花板上方的温度分布情况。门口中心位置布置一个热流计，用来测试通过门口的热辐射通量。相应传感器布置如图1～3所示。

图1 天花板热电偶的布置

图2 门口热电偶的布置

1.2 样件尺寸及试验装置

根据ISO 9705标准的要求，试验采用100 kW的丙烷标准气体［3］进行引燃，点燃时间为10 min，通过分析仪采集记录这10 min内的热释放速率、温度、热辐射通量等参数，并用DV对烟雾扩散情况进行拍摄，以便与仿真结果进行更好的对比。试验燃烧过程如图4、5所示。从燃烧过程看到，材料的蔓延是非常缓慢的，而且主要燃烧区域是火焰能够直接接触的部分。燃烧之后的状态如图6所示，中间的铝板被烧穿，内层的泡沫基本完全燃烧，而外层的间壁则仅仅燃烧了与火焰接触的部分。由此可看出，对于整个热量和烟雾的产生，其大部分来自于内层泡沫，而间壁和铝板的贡献则较少。热释放速率测试结果如图7所示。

图3 门口热流计的布置

图4 引燃样件

图5 样件燃烧过程

图6 样件燃烧之后

图7 热释放速率测试结果

2 热释放速率模型的建立以及仿真

2．1 Pyrosim软件简介以及仿真原理

Pyrosim软件是基于计算流体力学的一种模拟软件，它模拟火的能量驱动流体流动。采用数值方法求解一组描述热驱动的低速流动的Navier-Stokes方程(黏性流体方程)，重点是计算火灾中的烟气流动和热传递过程。该软件把设定空间分成多个小的三维矩形控制体或计算单元［4］，计算每个单元内气体的密度、速度、温度、压力和组分浓度。用质量守恒、动量守恒和能量守恒的偏微分方程来近似有限差分，通过对同一网格使用有限体积技术来计算热辐射和流体流动中存在湍流参数，追踪预测火灾气体的产生和移动，并结合家具、墙壁、地板和顶棚的材料特性来计算火灾的增长和蔓延。此软件处理湍流流动有2种方法:大涡模拟方法和直接数值模拟方法。大涡模拟方法是在湍流的大涡尺度和小涡尺度之间选一滤波宽度对N-S方程进行滤波，把所有流动变量变成大尺度量和小尺度量，对大尺度量进行直接模拟，而对小尺度量采用亚网格尺度模型进行模拟。这样一来，大涡模拟用于湍流燃烧时是否能够成功就取决于燃烧过程的尺度。直接数值计算模拟考虑了湍流与燃烧的相互作用，但是与纯流动过程相比，燃烧使得这一方法的应用更为困难。一方面燃烧使得流场内流体的温度和组成有了很大的变化，以至于决定网格尺寸的相关湍流尺度难以确定;另一方面燃烧本身可能在时空上引入一些足以与湍流尺度相比拟的尺度。但是，直接数值模拟所需的计算量比大涡模拟大得多。通过上述2种方法模拟求解后便可获得相关测量点处温度、热辐射通量、热释放速率、能见度等一系列数据。

2.2 建立模型并仿真

根据实物模型尺寸的大小，在软件中建立了相应的仿真模型，各材料所需要的热力学性质参数由试验测得。同时用锥形量热仪按照ISO 5660标准的要求测出各材料的单位面积热释放速率，将其作为输入参数输入软件中。最后，在仿真模型中按照ISO 9705标准的要求布置相应的传感器。仿真模型如图8、9所示。

图8 燃烧室内部

图9 燃烧室外部

仿真中，将火源的热释放速率设置为100 kW，仿真时间设置为600 s，仿真的过程如图10、11所示。

图10 随着仿真的进行，逐渐产生烟雾

图11 燃烧结束时，形成明显烟雾层

3 实验结果与软件仿真结果对比

3.1 热释放速率结果的比较

从图12可以看出:当燃烧处于稳定期时，仿真模拟的结果与试验的结果相差无几，但是在燃烧开始热释放的上升阶段有所不同。试验中的热量有一个接近线性的递增阶段，而模拟仿真却没有这样的上升阶段，是直接从100 kW开始的。差别产生的原因主要是模拟仿真是一种理想情况，可以直接放置100 kW的丙烷气体，而在实际试验的过程中，由于设备的限制，不可能使丙烷气体的功率直接达到100 kW，只能通过控制丙烷气体的流速来控制火源的功率。因此，在试验的测试结果中，出现了一个线性递增的趋势，这是对丙烷气体流速调整的一个过程。在误差允许的范围内，认为仿真结果与试验结果是吻合的。

图12 热释放速率的对比

3.2 天花板上温度的对比

图13～16中，细线部分为试验测试结果，粗线部位为仿真结果。从图中可以看出，天花板上温度的仿真结果与试验结果相差无几，趋势也比较吻合，这说明仿真模型对研究列车发生火灾后的烟雾层的温度变化起到了很好的作用，吻合性和准确性都比较高。

图13 靠近火源处天花板温度对比

图14 天花板中心温度对比

图15 天花板中心左侧温度对比

图16 天花板中心右侧温度对比

4 结束语

通过高速列车阻燃材模型的燃烧试验与软件仿真，可以看出Pyrosim火灾模拟软件在模拟列车发生火灾时的热释放速率方面有较高的吻合度。这对于模拟整车发生火灾时的场景起到了很好的验证作用。在今后整车防火研究方面，可以通过该软件建立列车材料的属性库，通过输入材料的热力学性质参数便能很好地模拟整车火灾。这对加强列车防火安全将起到一定的推动作用。

［1］杨晓菡.基于ISO9705房间木垛火实验的FDS模拟预测［J］.消防科学与技术，2009，28(03):151-154.

［2］徐玉香.日本铁路列车防火工作初步分析［J］.国外铁道车辆，1990(1):44-48.

［3］欧育湘，李建军.材料阻燃性能测试方法［M］.北京:化学工业出版社，2007.

［4］Chow W K.Application of the software fire dynamics simulator in simulating retail shop fires［J］.F ire Safety Science，2004，13(1):18-26.

(责任编辑 刘舸)

Validation Studies on the Heat Release Rate of High-Speed EMU

LI Xia，LIN Jian-hui
(State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

In order to verify the reliability and effectiveness of the high-speed train’s heat release rate model，we do some combustion experiments based on standard ISO 9705 to the train model，and do some simulation through the corresponding software，and then compare the experiment results with simulation results.The comparison shows that the Pyrosim software has a good alignment for simulating heat release rate of the high-speed train model.

high-speed train;ISO 9705;simulation of Pyrosim software;heat release rate model

U26

A

1674-8425(2014)08-0026-04

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.006

2014-05-16

李霞(1988—)，女，河南人，硕士研究生，主要从事信号分析及处理研究。

李霞，林建辉.高速列车热释放速率模型的验证［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(8):26-29.

format:LI Xia，LIN Jian-hui.Validation Studies on the Heat Release Rate of High-Speed EMU［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):26-29.