高速列车材料测试及轰燃研究

王建帆，苏燕辰

（西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）



高速列车材料测试及轰燃研究

王建帆，苏燕辰

（西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）

摘要：为得到CRH2型高速列车燃烧热释放速率、烟气运动等表征燃烧特性的数据曲线，基于ISO 5660-1——2002 和ISO 1716——2002标准对车用主要材料进行燃烧实验，并建立Pyrosim高速列车4号车厢模型进行燃烧仿真，得出不同起火位置、不同通风条件下列车热释放速率曲线、温度、热流量和烟层高度的变化情况，并根据轰燃发生的热释放速率判据判断各个工况是否发生轰燃，分析CRH2型高速列车的防火性能。结果表明：座椅着火会使列车内部发生轰燃现象，轰燃发生之后通风会由于进入的空气对车内燃烧起助燃作用。

关键词：热释放速率；轰燃；高速列车；材料测试

0　引言

由于高速列车内装饰材料多为非金属材料，列车上火源、电源较多，列车火灾危险性大[1]，故高速列车防火安全在国内外都受到格外重视。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[2]。本文采用Pyrosim软件建立准确的CRH2型高速列车4号车厢模型，仿真得到列车中起火位置、通风情况不同时，车内热释放速率曲线和烟气运动模拟等输出参数的变化情况，并与临界热释放速率比较，由此判断车内是否发生轰燃，对高速列车编制应急方案、消防疏散演练，以及高铁材料的选择、优化和评估提供重要依据。

1　Pyrosim简介

PyroSim是美国的Thunderhead engineering公司开发的火灾模拟前处理和后处理软件，它是在FDS的基础上发展起来的辅助软件[3]。Pyrosim有3个工作界面：3Dview、2Dview以及Record View。在3DView 和2DView中可以直接建模，在Record View详细记录了建模时所执行的每一条命令动作和参数，方便检查错误。建模完成之后，输入materials、vent、surfaces、obstruction等参数，然后按照需要在合适位置添加传感器，如热电偶、烟雾传感器、流量传感器等，程序运行之后就能得到热释放速率曲线、温度、烟雾密度、热辐射通量等数据。

2　轰燃的定义以及常用判据

轰燃标志着火灾由初期阶段向充分发展阶段的转变，轰燃的表现有以下3点：1）火灾由局部火向大火的转变，转变完成后，所有可燃物表面都开始燃烧；2）燃烧由燃料控制向通风控制的转变；3）在天花板下方积聚的未燃气体或蒸气突然着火而造成火焰迅速扩展[4]（在达到轰燃临界值时，天花板的温度设定为600℃）。

本文采用热释放速率判据来判断车内轰燃是否发生，即燃烧产生的热释放速率是否超过发生轰燃所需的临界热释放速率。临界热释放速率有3种计算方法[5]：

式中：Q0——产生轰燃所需的最小热释放速率，kW；

hk——有效的热传递系数，kW/（m·K）；

AT——车内所有表面的总面积，m2；

A0——门窗等开口的面积，m2；

H0——车内门窗等开口的高度，m。

表1　车用主要材料的热力学参数

图1　车用主要材料的单位面积热释放速率

本文采用第3种方法来计算，在不打开车窗的情况下，车内临界热释放速率约为13 MW，即在不开窗的情况下，如果热释放速率达到13 MW，则认为车内发生了轰燃现象。在打开两扇窗户的情况下，由于开口面积的增加，车内临界热释放速率约为14.4 MW。

3　建模及仿真分析

采用Pyrosim软件进行建模，所建模型是CRH2型列车4号车厢，车体尺寸为：25000mm×3380mm× 3 700 mm。火源的单位热释放速率统一取值为500kW/m2，火源面积为0.04m2，故火源功率为20kW。列车为静止状态。

3.1测试所得输入参数设置

本文采用车型为CRH2型高速列车，车体所用材料的热力学参数和材料单位面积热释放速率使用锥形热仪进行燃烧实验得到，实验在常州金标轨道交通技术服务有限公司燃烧实验室进行。材料测试依据标准ISO 5660-1——2002《对火反应试验-热释放、产烟量及质量损失率，第1部分：热释放速率-锥形量热仪法》[6]、ISO 1716——2002《建筑制品对火反应试验-燃烧热值的测定》[7]。所得数据见表1以及图1。

3.2传感器设置

为了得到温度、热量以及烟雾高度等物理量，在建模过程中添加相应的传感器，传感器的设置见表2。

表2　传感器设置

3.3仿真分析

3.3.1地板起火燃烧特性分析

图2　地板着火火源位置及开窗位置

图3　地板起火燃烧特性图

设置火源位置都在列车右端角落的地板上，分3种情况进行分析：1）火灾过程窗户全部关闭；2）400s的时候打开靠近火源（最右端）的两扇窗户；3）1000s的时候打开靠近火源（最右端）的两扇窗户。火源位置及窗口开启位置见图2，图3为仿真结果。

分析燃烧特性可知，在整个燃烧过程中，车内热释放速率都没达到轰燃的临界热释放速率（13 MW），观察Smokeview results整个过程也可看到列车没有局部火向大火的转变，所以列车没有发生轰燃现象。打开窗户之后，车内热释放速率曲线变化不大，内端墙拉门处的热流量在开窗之后瞬间变小，列车中部烟层最低高度变大，即烟雾浓度会变小，天花板温度也有所降低。

3.3.2座椅起火燃烧特性分析

设置火源位置都在列车中间的座椅上，分3种情况进行分析：1）火灾过程窗户全部关闭；2）400s的时候打开靠近火源的两扇窗户；3）1 000s的时候打开靠近火源的两扇窗户。火源位置及窗口开启位置见图4，图5为仿真结果。

分析燃烧特性可知，在不开窗的情况下，热释放速率曲线在658s达到临界热释放速率13 MW，即发生轰燃现象；若在1000s时打开窗户，车内热释放速率会有短时间的飙升，达到22MW，然后慢慢恢复到开窗前的数值；若在轰燃之前打开窗户（本文取400s），热释放速率会急速上升，在546s达到临界值14.4MW，即轰燃提前发生。此外，开窗会导致内端墙拉门处的热流量明显降低，和地板燃烧的变化一致。但是，由于发生轰燃，打开窗户会导致列车中部烟层最低高度变小，并且天花板附近温度会升高，这种变化和地板燃烧变化趋势相反，这是由于轰燃意味着燃烧由燃料控制向通风控制转变，打开窗户之后，外界空气进入车内，为燃烧提供了氧气，使燃烧更加剧烈，烟雾浓度变大，车内温度升高。

图4　座椅着火火源位置及开窗位置

图5　座椅起火燃烧特性图

由上可知，轰燃的发生与起火位置材料有很大关系，座椅材料起火比地板布起火更容易发生轰燃，二者的热力学参数对比见表3。由表可知，与地板布相比，座椅蒙面布的比热大、燃烧热大、吸收系数小。再比较二者单位面积热释放速率（见图1（a）与图1（c）），同一时间蒙面布的单位面积热释放速率要比地板布大。因此，在选择高铁材料时，为了避免轰燃现象的发生，应该选择比热小、燃烧热小、吸收系数大，并且单位面积热释放速率小的材料。列车发生火灾后，热量积聚在天花板下方，越靠近天花板温度越高（见图6），故天花板材料应该具有很好的耐火性。

4　结束语

1）轰燃意味着燃烧由燃料控制向通风控制转变[8]，如果轰燃发生之后打开门或者窗，由于外界空气的进入，燃烧火势会更加旺盛，烟雾浓度增大，温度急剧上升，热释放速率也在短时间内升高，故此时通风是危险的，其危害将不堪设想。但是如果列车从始至终只是局部燃烧，没有轰燃的可能，打开门窗会在一定程度上降低烟雾浓度和温度。

表3　热力学参数对比

图6　z方向（竖直方向）温度变化曲线

2）在没有开窗的情况下，座椅燃烧引起的轰燃时间为658s，意味着在此之前应该完成列车人员疏散；并且列车端墙、天花板以及侧墙的耐火时间至少为658s，否则将阻碍人员疏散的进行。

本文通过测试仿真得到结果，PyroSim的一些输入参数随着测试环境的不同会发生一定变化，所以文中实验室得到的数据会存在一定误差。尽管在国际上已经普遍认可PyroSim的准确性，并且有大量实验的验证，但是在中国毕竟还是一个新兴的软件[9]。如本文中，对高速列车的模拟计算结果的验证需要实际火灾场景实验为佐证。但是该项试验耗资巨大，危险系数高，准备程序也很复杂，受时间和经费所限，本研究没有进行实验验证。所以进一步的研究方向之一就是通过实验验证本文的结果。

参考文献

[1]肖加余，刘钧，曾竞成，等.复合材料在高速列车上的应用现状与趋势[J].机车电传动，2003（z1）：49-52.

[2]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.

[3]徐幼平，周彪，张腾. FDS在工业火灾中的应用[J].工业安全与环保，2008，34（5）：60-61.

[4]霍然，范维澄.通风开口高度对室内火灾发展的影响[J].消防科技，2001，1（l）：1-5.

[5]刘嘉.通风开口对轰燃影响的试验研究[D].成都：西南交通大学，2010.

[6] Reaction to fire tests -Heat release, smoke production and mass loss rate -Part 1: Heat release rate（cone calorimeter method）：ISO 5660-1——2002[S]. 2002.

[7] Reaction to fire tests for building Products- Determination of the heat of combustion：ISO 1716——2002[S]. 2002.

[8]黄道灿，彭骏.轰燃预测与灭火战术要点[J].消防技术与产品信息，2007（8）：51-54.

[9]崔祎菲.档案馆建筑性能化防火设计方法研究[D].青岛：中国海洋大学，2012.

（编辑：刘杨）

Materials testing and flashover research in high-speed trains

WANG Jianfan，SU Yanchen
（School of Mechanical and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract:In order to get the data curves for combustion characteristics like heat release rate （HRR）and smoke movement of CRH2 high-speed trains，the authors have tested the automotive materials based on the ISO 5660-1——2002 standard and the ISO 1716——2002 standard and have established a Pyrosim model for the No.4 compartment on a high-speed train accordingly. Through combustion simulation，the authors have obtained the HRR curve，temperature，heat flux and smoke layer height of the train at different ignition locations and under different ventilation conditions. In addition，the authors have used the flashover HRR to determine whether flashover occurred under each working condition and to analyze the fire resistance of the high-speed train CRH2. The study has indicated that the fire on the seat can cause flashover inside the train and will spread quickly if fresh air is let in.

Keywords:heat release rate；flashover；high-speed trains；materials testing

作者简介：王建帆（1989-），女，山西汾阳市人，专业方向为高铁防火测试。

收稿日期：2015-03-11；收到修改稿日期：2015-04-16

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.029

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）02-0127-05