不同防排烟方式下车厢火灾烟气运动的数值模拟研究*

余明高，陈　静，苏冠锋

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；2. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044)

0　引言

动车组列车具有流动性、密闭性、人员集中性等特点，一旦发生火灾，火势迅速蔓延，极易造成群死群伤。如2003年2月18日，韩国大邱地铁因人为纵火造成192人死亡，148人受伤，车厢内弥漫的浓烟是造成人员伤亡的主要因素。统计结果表明[1]，在火灾中85%以上的死亡者是死于烟气的窒息作用。因此，高效的防排烟措施对车厢火灾的防治和人员逃生具有重大意义[2]。

近年来，相关学者对车厢内部火灾烟气的研究取得了一定的成果。MO Shanjun等[3]通过FDS模拟分析车厢内部火灾时烟气浓度和温度的分布及变化趋势；张培红等[4]模拟分析了机械排烟和细水雾耦合作用下地铁列车车厢火灾的灭火效果；王云[5]、单其康[6]模拟研究了不同风机排风速度条件下烟气在列车车厢内的蔓延规律；Qize He等[7]研究了车厢天花板排气口尺寸对火源自熄的影响，同时提出了二者之间的经验指数关系；空气幕作为柔性阻隔物，通过产生高动量的气流平面分离两个相邻的区域，是理想的防排烟工具[8]。Lecaros, M.[9]、GAO Ran[10]在隧道中应用双喷空气幕阻挡热质交换和CO的扩散；LUO Na等[11]对高层建筑进行模型实验和全尺寸数值模拟研究，结果表明空气幕比挡烟垂壁挡烟效果好；在烟气运动规律与控烟方式研究方面，Chow[12]分析了火焰机理；钟琼英等[13]通过比较分析某地下超市在不同控烟方式下火灾烟气运动的演化规律，优化选择最优控烟方式。

综上所述，目前针对车厢内部火灾的研究大多局限于对车厢内部烟气运移规律以及单一机械排烟方式作用下烟气蔓延特性，而对车厢内部发生火灾时有效的防排烟组合方式的研究甚少。因此，本文在前人研究的基础上，运用FDS模拟计算，对比分析不同防排烟方式下，车厢内部烟气流动蔓延时烟气平均温度、烟气层高度和烟气浓度等特性参数的变化规律，优化选择最佳的防排烟组合方式。研究结果对动车组列车火灾的高效防控具有一定的理论和现实指导意义。

1　模型建立

1.1　车厢几何模型

以CRH2A动车组的1节二等车厢为原型，车厢内部尺寸为18.0 m×2.9 m×2.3 m，内设16排(2+3)座椅。忽略车厢的外部尺寸及内部细小部件的影响，建立简化后的车厢几何模型如图1所示。

图1　车厢几何模型Fig.1　The simplified compartment geometry model

1.2　参数设置

1.2.1火源设置

火源为0.4 m×0.4 m，位于第8排3人座椅正中央，座椅材料为聚氨酯。根据车厢实际火灾情况文献资料[14]，本文设定固定功率分别为0.2 MW，模拟该座椅表面全部燃烧的情况。

1.2.2风机和空气幕设置

参考相关国家规范和手册中关于排烟量的规定[15]，本文在车厢顶部设置3个排烟口，尺寸均为0.4 m×0.4 m，间距为5 m。根据FDS软件的特点，本文设置排烟量分别为：0.25 m3/s，0.87 m3/s，2.0 m3/s，且3个风机在发生火灾后即刻启动。空气幕安装在车厢两端车门上方天花板处，出口流速分别设置为2 m/s，3 m/s，4 m/s，5 m/s，对应的供风量(体积流量)依次为1.12 m3/s，1.68 m3/s，2.24 m3/s，2.8 m3/s。

1.2.3临界数值设置

将烟气层高度、烟气平均温度、烟气浓度作为判定参数，考虑到车厢空间有限，人员密度大，人体耐受的临界值相应降低，危险状态的判定标准为：车厢地板以上1.5 m[16]平面上烟气温度超过60℃[17]，烟气浓度高于2.08%。

1.2.4监测点设置

车厢内部过道和两端车门分别是人员逃生的重要通道和安全出口。Z=1.5 m平面上、车厢走道中心线(Y=1.915 m)上沿长度方向(X方向)，在两端车门(X=0 m，X=18 m)、火源(X=9 m)、火源与两端车门的中部位置(X=4.5 m，X=13.5 m)处布置测点，监测烟气参数的变化规律。

1.2.5计算域网格设置

参照Kevin McGrattan等[19]相应的网格独立性测试实验，得出火源特征直径D*与计算网格尺寸δx的比例在4 ～16之间时，可以得出一个合理的求解结果。其中火源特征直径由下式给出：

式中：Q为火源热释放速率，kw；cp为空气的定压比热，1.006 kJ/(kg·k)；ρ0为空气密度，1.205kg/m3；T0为环境初始温度，20℃；g为重力加速度，9.8 m/s2。固定功率为0.2 MW时，计算可得D*为1.47。综合考虑计算结果的合理性以及计算机的性能，本文采用δx=0.1 m的网格尺寸进行计算。

1.2.6初始环境和工况设置

假定车厢内初始环境温度20℃，压强为101 325.0 Pa，烟气初始浓度为0，且车厢内各处温度、压强相同，计算时间跨度为100 s。根据空气幕设计参数、排烟量、初始条件与边界条件的不同，火灾模拟工况设置见表1。

表1　火灾模拟工况设置

图2　排烟量不同时烟气温度变化Fig.2　Changes of smoke temperature under different mechanical exhaust rate

2　模拟计算结果分析

2.1　排烟量对烟气蔓延的影响

为了考察排烟量对烟气蔓延的影响，分别对表1中工况1，2，3，8进行模拟计算。

2.1.1温度

图2为排烟量不同时Z=1.5 m高度处烟气温度变化图，其中(a)表示V2=0 m3/s时，车厢两端车门位置处烟气温度达到160℃，远远超过人体承受范围。当V2=0.25 m3/s时，在车厢衔接处温度均超过100℃；当V2=0.87 m3/s时，在X=0 m处温度降至60℃；当V2=2 m3/s时车门处温度维持在初始温度20℃，随着排烟量的增加烟气温度明显降低。(b)为Z=1.5 m平面以上烟气的平均温度变化规律：当V2=0 m3/s，0.25 m3/s，0.87 m3/s，2 m3/s时烟气的平均温度分别为160℃，140℃，100℃，80℃。随着排烟量的增加，平均温度明显降低。这是因为V2=0 m3/s时，火源释放的热烟气在浮力作用下竖直上升，受到车厢顶棚的阻挡形成水平流动的顶棚射流，烟气蔓延至端部后在车门上方大量积聚，造成温度上升；而开启排烟系统时，一定量的热烟气在遇到开口后逸散到外界，降低了热烟气对火场的热辐射作用。

图3　排烟量不同时烟气层高度变化Fig.3　Changes of smoke layer height under different mechanical exhaust rate

2.1.2烟气层高度

图3为排烟量不同时X=4.5 m，9 m处烟气层高度变化图。由图3可知，V2=0 m3/s时，烟气层高度均稳定在1.2 m左右；当V2=0.25 m3/s时，不能满足人员的安全疏散要求；当V2=0.87 m3/s时，烟气层高度均稳定在1.5 m。由(b)可以看出，V2=2 m3/s时，在X=9 m火源附近处烟气层高度波动较大，这是由于排烟量过大，加剧了热烟气与空气的对流，使得烟气与空气之间的掺混作用增强，烟气热分层的稳定性受到破坏，增加了火焰区的扰动。因此，烟气层高度随着排烟量的增大而提高，但为了使烟气具有较稳定的热分层，排烟量不宜过大。

2.1.3烟气浓度

图4　排烟量不同时烟气浓度变化Fig.4　Changes of smoke concentration under different mechanical exhaust rate

图4为不同排烟量、不同位置在Z=1.5 m高度处烟气浓度变化图。由图4可知，V2=0 m3/s时，烟气浓度均为最高值，在X=4.5 m和9 m处烟气浓度的最大值分别为0.003 1，0.002 6；随着排烟量的增加，车厢内烟气浓度明显降低：V2=0.25 m3/s与V2=0 m3/s时相比，在X=4.5 m处烟气浓度有所下降，在X=9 m处烟气浓度变化不明显；V2=0.087 m3/s时，在X=4.5 m和9 m处烟气浓度最高值分别为0.001 5，0.000 5，与V2=0 m3/s时相比，烟气浓度分别下降51.6%和80.8%；V2=2 m3/s时，几乎没有烟气蔓延。在整个火灾过程中，车厢内烟气温度不均、密度不均以及产生的浮力效应会使热烟气竖直上升，当其受到顶棚阻挡后，形成水平流动的顶棚射流。在排烟系统作用下，烟气在顶部水平流动时一部分被风机排出，与外界产生热质交换。因此，机械排烟在某种程度上可以大大降低烟气浓度。

2.2　空气幕与机械排烟复合对烟气蔓延的影响

为了考察防排烟组合方式对烟气蔓延的影响，分别对表1中工况3～7，9～12进行模拟计算并对比分析。

2.2.1平均温度

图5　V1不同时烟气的平均温度变化曲线Fig.5　Curves of average smoke temperature along with the changing of V1

图5为改变V1时Z=1.5 m平面以上烟气平均温度变化图。其中(a)为V2=0.87 m3/时烟气平均温度的变化情况：当V1=0 m3/s时烟气的平均温度稳定在120℃左右；当空气幕系统作用后，烟气平均温度随着供风量的增大相应降低，曲线走势相同但变化不明显。空气幕的供风作用增大了车厢内部压强，供风量越大烟气羽流的卷吸量越多，加速了新鲜空气与热烟气的对流，烟气的温度适当降低。(b)为V2随着V1改变而变化时烟气平均温度变化曲线图，当V2随着V1同比增大时，烟气平均温度适当降低。对比分析(a)(b)可知，当V1相同时，V2的同比增加使得烟气平均温度降低30℃左右。因此，空气幕对降低烟气的温度效果不佳，机械排烟在一定程度上能降低烟气的温度。

2.2.2烟气浓度

图6为V2一定、V1变化时X=0 m和9 m处烟气浓度变化图。其中(a)为X=0 m处烟气浓度变化曲线图：随着V1的增加，烟气浓度逐渐降低，当V1=2 m3/s时烟气浓度几乎为0 mol/mol。(b)为X=9 m处烟气浓度变化曲线图，在火灾过程中烟气浓度逐渐升高，烟气浓度曲线走势相同且差别不大。当V1，V2均相同时，车门处烟气浓度总是比车厢内烟气浓度低。因此，空气幕在一定程度上可以阻挡烟气蔓延，但对降低烟气浓度效果不明显。

图6　V2一定、V1变化时烟气浓度变化曲线Fig.6　Curves of smoke concentration along with the changing of V1

图7为V1一定、V2变化时X=0 m和9 m处烟气浓度变化图。由(a)可知，在X=0 m处，V2=0.87 m3/s时烟气浓度在0.000 3 mol/mol附近波动，V2=1.62 m3/s时烟气浓度在0.000 25 mol/mol附近波动，烟气浓度下降91.74%；由(b)可知，在X=9 m处，V2=0.87 m3/s时烟气浓度最高为0.001 2 mol/mol，V2=1.62 m3/s时烟气浓度最高为0.000 67 mol/mol，烟气浓度最大值降低了44.2%。因此，同一位置处，排烟量越大，烟气浓度越低；机械排烟对烟气浓度的影响比空气幕的作用效果显著。考虑防排烟的有效性和经济性，取V1=1.12 m3/s、V2=1.62 m3/s。

图7　V1一定、V2变化时烟气浓度变化曲线Fig.7　Curves of smoke concentration along with the changing of V2

2.2.3烟气蔓延

图8为t=30s时工况1，3，4，9在空气幕与机械排烟复合系统作用下烟气蔓延对比图，由图8可以看出，V1=0 m3/s，V2=0 m3/s时，烟气蔓延至端部后沿车门上方向外扩散；V1=0 m3/s，V2=0.87 m3/s时，烟气层高度升高且从车门处溢出的烟气量明显减少；V1=1.12 m3/s，V2=0.87 m3/s时有轻微烟气溢出，烟气层高度明显下降，且在车厢衔接处烟气层高度较低；V1=1.12 m3/s，V2=1.62 m3/s时，烟气几乎不会影响到相邻车厢。机械排烟可以有效地控制烟气并稳定在一定高度；空气幕带入的新鲜空气造成车厢内部燃烧更剧烈，烟气迁移到车厢连接通道处时，遇到顶棚而向下蔓延，导致此处的烟气聚集。综合对比分析，当V1=1.12 m3/s，V2=1.62 m3/s时控烟效果最佳。

图8　空气幕与机械排烟复合系统作用下烟气蔓延情况对比Fig.8　Comparison of smoke spread under the condition of the coupled system

图9为车厢过道中心截面(Y=1.915 m)切片速度云图。其中(a)为工况3切片速度云图，火灾初期，车厢内部压强减小，当只有排烟系统作用时，由于车厢内外存在压强差，外界新鲜空气从车门处进入车厢；(b)为工况9切片速度云图，空气幕系统和机械排烟系统联合作用时，在一定程度上减少了车厢内外的热质交换，同时达到了理想的控烟效果。

图9　切片Y=1.915 m速度场分布Fig.9　Velocity field distribution of the slice Y=1.915 m

3　结论

1)排烟量越大控烟效果越好，但为了使烟气具有较稳定的热分层，排烟量不宜过大。固定功率为0.2 MW时，V2=0.87 m3/s排烟效果最佳。

2)空气幕对烟气蔓延有较强的阻挡作用，在一定程度上可以阻挡烟气蔓延至相邻车厢；机械排烟在降低烟气温度与浓度方面的效果比空气幕系统明显。

3)每个独立系统的控烟效果远不及机械排烟系统与空气幕的复合系统明显。综合考虑防排烟的有效性和经济性，在本文设定工况下，V1=1.12 m3/s，V2=1.62 m3/s为最优防排烟组合方式。

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