8-66932-运行旅客列车隧道火灾模型实验及数值模拟

第26卷第1期铁 道 学 报V ol.26　N o.1 2004年2月JOURNA L OF THE CHI NA RAI LW AY S OCIETY February2004

文章编号:100128360(2004)0120124205

运行旅客列车隧道火灾模型实验及数值模拟

徐志胜,　周　庆,　徐

(中南大学防灾科学与安全技术研究所,湖南长沙　410075)

摘　要:旅客列车在隧道内发生火灾时,火灾烟气运动状况直接影响旅客的人身安全。本文利用风洞提供的流

场模拟列车在隧道中运行的速度场,制作了1∶5的旅客列车卧铺车厢,在车厢模型中加入等比例的火灾载荷,对

运行旅客列车在隧道内发生火灾进行了缩尺模拟实验,并用商业CFD软件PH OE NICS3.5对实际情况进行了简化

数值模拟,研究了不同情况下旅客列车火灾特征及火灾中烟气蔓延规律,提出了满足火灾救援和旅客人员疏散的

要求。

关键词:旅客列车;隧道火灾;模型实验;数值模拟

中图分类号:U279.5 文献标识码:A

Fire Model Experiment and Numerical Simulation of

P assenger T rains Running in Tunnels

X U Zhi2sheng,　ZH OU Qing,　X U Y u

(Disaster Prevention Science and Safety T echnology Institute,Central S outh University,Changsha410075,China)

Abstract:When fires break out in a passenger train traveling in tunnels,the m ovement of the sm oke directly affects safety of passengers.As included in this paper,the speed field of the train traveling in tunnels is simulated by the flow field of the air tunnel,a kind of passenger sleeping carriage is designed with the proportion of1∶5,a fire load is added to the train m odel with an equivalent proportion,and a simulated reduced2scale experiment is carried out on the fire broken out on a traveling passenger train in a tunnel.Sim plified numerical simulation is made with the use of the commercial CFD s oftware PH OE NICS 3.5.The characteristics of fires in passenger trains and the spreading rules of the sm oke in fire are studied.The requirements for fire rescue and passenger evacuation are als o put forward.

K ey w ords:passenger train;tunnel fire;simulated experiment;numerical simulation

铁路隧道是铁路运输的咽喉要道,列车一旦在隧道内发生重大火灾,其后果将十分严重。在各种行车事故中,隧道或地铁中的列车火灾事故抢救最难、中断行车时间最长、经济损失巨大,将产生非常不良的社会、政治影响。旅客列车因电气故障、采暖设备状态不良、旅客违章携带危险品、吸烟不慎甚至恐怖攻击都会引起火灾。这种火灾由于车体、车内装饰、家具、卧具以及旅客携带行李物品易燃、车内空间狭小、人员高度密集、列车运行生风风助火势,使火势异常迅猛,若未能及时发现,未能早期扑灭,往往车毁人亡。2003年2收稿日期:2003203231;修回日期:2003209222

基金项目:教育部高等学校骨干教师资助计划项目(JJ20002652001)作者简介:徐志胜(1962—),男,山东潍坊人,教授,博士。

E2m ail:zhshxu@ 月18日韩国大丘地铁因人为纵火造成至少182人死亡,修复开通至少需要4个月。1991年9月18日,武昌开往广州247次列车经过大瑶山隧道时由于旅客吸烟引起火灾,造成12人死、20人伤[1]。

我国铁路隧道数及延长里程均居世界第一。近年来,我国一些大城市相继建设地下铁道系统(地铁可看成是特殊的长隧道)。地下铁道工程空间封闭,一旦发生火灾,浓烟和热气很难自然排除,并会迅速蔓延充满整个地下空间;同时地下铁道属人流密集场合,如果火灾不能得到有效控制,后果将不堪设想。所以研究旅客列车隧道火灾,对减少火灾损失、保障人员生命安全、保证隧道和地铁的安全运营,具有极其重要的意义。

1　实验装置及实验方案

[2]

本文对高速旅客列车通过南京长江沉管隧道时发生火灾进行了模拟实验,研究主要是以相似理论为依据来建立模型。模型的建立包括4部分:①制作旅客列车的车体模型;②用风洞风速模拟旅客列车在隧道中的运动;③在车体模型中加入等比例的火灾载荷,进行火灾实验;④在该模拟的运动体系中,研究不同列车运行速度、不同列车火灾载荷、不同火源位置以及不同旅客车厢状况等情况下,旅客列车发生火灾时的火灾特征及火灾中烟火蔓延规律对旅客人身安全的影响,从而提出满足火灾救援和旅客疏散的要求。1.1　实验装置1.1.1　火灾风洞

实验是在中国科学技术大学火灾科学国家重点实

验室的大型燃烧风洞中进行的(图1)[2],该风洞是亚洲最大的一个专门从事火灾实验研究的风洞。它采用下吹直流式吹风方式,通过可调速的电机改变风速(1～15m/s ),利用电加热管调整风流的温度和相对湿度,为各种火灾模拟实验提供各种环境条件(气候、可燃物、地形等)

。

燃烧风洞包括动力段、加热段、稳定段、收缩段和实验段5个部分,总长约20m ,实验段进口部分截面为1.8m ×1.8m 、长6m ,可容纳6m ×0.6m 的燃烧床进

行火灾蔓延实验。8个耐热观察窗为观察燃烧状况提供了便利条件;实验数据的采集使用自制的多点巡回

自动检测系统和燃烧火焰自动跟踪检测车,对火焰的跟踪既可手动,也可以自动跟踪,不仅能实时测出检测车自身的位置及速度,也较好地解决了拖动多种传感器的任务。风洞断面尺寸为:1800mm ×1800mm ,而双隧方案单孔隧道断面尺寸为:6500mm ×7510mm ,按照1∶5的相似模拟比,需要风洞断面尺寸为1300

mm ×1430mm ,因此该风洞能够满足实验要求。1.1.2　旅客列车的车体模型

①以现行旅客列车卧铺车厢尺寸为标准:长×宽

×高=22500mm ×3200mm ×3600mm ,根据1∶5的相似模拟比,模型结构尺寸为:长×宽×高=4500mm ×640mm ×720mm 。②模型外壳材料,平面段为2mm 钢板材,结构为3mm ×18mm 钢骨架;玻璃窗压边为铝合金条,玻璃为高温耐火玻璃。③车体内装饰:四周为宝丽板,卧铺车厢中间有10个间隔,22组卧铺。④车体内共布置温度传感器45个,车体顶部布置两排,500mm 一个,9×2=18个;侧面上中下三排,9×3=27个,如图2[2]

。

1.1.3　旅客列车火灾载荷的模拟

旅客列车主要的可燃物为:内装饰材料、卧铺骨

架、卧具、地毯、茶几、旅客行李、衣物等。利用G R 23500氧弹热量计测得上述可燃材料的热值,如表1。

表1　可燃材料的热值

可燃材料热值/(k J ・kg -1)

增强纤维板0.95×103聚乙烯

2.32×103聚氯乙烯10.76×103衣物(综合值) 4.26×103车体内装饰板0.89×103聚丙烯腈

6.48×103

一节卧铺车厢的火灾载荷密度[3]

q =

1

A

6

M i H i (1)

式中,M i 为某固定可燃材料的质量,kg ;H i 为某固定可燃材料的燃烧热值,k J/kg ;A 为可燃物堆放面积。

估算出一节卧铺车厢的火灾载荷为21425M J ,相似模拟火灾载荷为4285M J 。

5

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