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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1.1.4　高速列车运行速度的模拟
风洞以相对速度进行模拟,即车厢模型静止,改变风洞风速的大小,模拟旅客列车在隧道中以不同的速度运行。

雷诺数Re是影响列车模型试验结果的主要相似准则。

根据相似准则,模型和原型的雷诺数应该相等,在模型实验中必须使空气的流速与长度成反比地增大。

在1∶5的模型中,速度应增至原型的5倍。

本实验风速取0～7m/s,相应的以模型车高为参考长度的雷诺数Re可达到3.43×105。

实车运行速度为140 km/h,其相应雷诺数Re为9.52×106,比模型雷诺数大一个多数量级,但是随着雷诺数的增加,模型空气阻力系数逐渐减小,当Re>5.0×104后,流动进入自模拟区[4],也就是即使原型和模型的该准则数值不相等,流动仍保持相似,即雷诺数(风速)对空气阻力系数的影响已不明显,基本已达自模化状态,本实验的风速可以满足相似准则。

1.2　实验工况
(1)大气温度T∞:实验时测量
(2)风速v(3种情况)
v1=0m/s;v2=0.2m/s;v3=7m/s
(3)热载荷值Q(3种情况)
Q1=4285M J(充分燃烧,有轰燃过程);Q2= 3465M J(非充分燃烧,暴燃时间短);Q3=2416M J(非充分燃烧,由于供氧条件差,出现窒息现象)。

(4)火源位置(2种情况)
火灾发生在车厢的前部(在3号位以前);火灾发生在车厢的中部;火灾发生在车厢后部的实验没有做,它对本车厢影响不大,火灾进一步发展到下一节车厢时,其特征与第一种情况基本相同,因此不考虑。

(5)旅客车厢状况(7种情况)
全封闭;前后门开启;前后门开启,前窗户开启;前后门开启,后窗户开启;前门开启,开窗户;后门开启,开窗户;全封闭,开顶窗。

2　典型实验过程
一共进行了8次11组实验,以下是几个典型实验,实验工况如表2。

实验过程描述如下:
表2　实验说明
实验工况实验1实验2实验3实验4 T∞/℃15181617
v/(m・s-1)0770.2 Q/M J2416428534654285火源位置车厢前部车厢前部车厢中部车厢中部
旅客车厢状况全封闭,燃
烧时间为
300s
前后门开启,左侧窗开,480s后,左
侧窗关,右侧窗开,640s后,后侧窗
关,后门关;燃烧时间为1200s。

全封闭20s,然后打开后
门和顶排气孔;燃烧时间
为720s。

前门开,中侧右窗开,后门开,打开
顶排气孔;前门关,后门关,打开顶
排气孔;燃烧时间为900s
2.1　实验1
燃烧10s时,在火风压作用下,烟气充满整个车厢;燃烧至76s时,车厢能见度极差,火势有减弱趋势;燃烧至120s时,火势显著减弱;燃烧至300s时,火焰熄灭。

2.2　实验2
开始实验时,前后门开启,左侧窗开,480s后,左侧窗关,右侧窗开;风流进入车厢,把烟带入风洞,只在车厢顶部1/3处存在浓烟,以下部分烟雾很少,不会对旅客人身安全造成影响。

在640s时关后侧窗和后门,烟雾在20s内就下到底层,随着时间的推移,烟雾越来越浓。

2.3　实验3
车厢处于全封闭状态,8s后,烟雾开始接触地板,10s后车厢能见度极差,20s后,打开后门和顶部排气孔,烟雾界面缓慢上升,由于是打开后门,烟雾上升到一半高度左右,一直在这个高度上徘徊;当加大风速时,界面往上移。

2.4　实验4
实验过程中,虽然车厢通风状况不同,但烟雾总是停留在某一高度,且车厢开口越大,烟雾界面越往上移,对旅客安全越有益;因此,车厢密封性能与烟气界面高度成反比。

3　数值模拟
模型实验没有对火灾烟气的浓度变化进行定量研究,也无法绘制车厢内外的温度场,为了弥补以上不足,使用了商业CFD软件PH OE NICS3.5对实际情况
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进行了初步模拟。

3.1　车厢内火灾烟气运动的场分析方法
描述车厢内烟气运动过程的时均微分方程的通用形式[5]为
9(ρφ)9t +99x j (ρu j φ-Γφ9φ9x j )=S φ式中各个参数的含义参见文献[6]。

3.2　数值模拟的计算条件
选取起火车厢及所在45m 长隧道进行简化模拟,如图3所示。

模拟火源发热量为21425M J ,位于车厢中部,车厢两侧各有3个窗口,隧道内环境温度为19℃,初始烟气浓度为0。

将计算区域划分为16200个控制容积,计算各点速度分量u 、v 、w 、温度T 、烟气浓度c 等变量的函数值。

3.3　数值模拟计算分析
计算结果显示车厢内的烟气主要向车厢两端门流动,而向后端门流动趋势明显强于流向前端门,如图4,这与模型实验中观测到的结果一致,反映了运行列车的烟气流动特性。

图5和图6分别是列车车厢在隧道内起火时的烟气浓度场和温度场,车厢内最高温度可达236℃,与模型实验所测的最高温度比较接近。

4　结论
(1)列车在隧道内发生火灾时,首先是尽一切可
能救人,其次若列车没有脱轨,尽可能地将起火列车拉出隧道,在地面灭火点组织救援[7]。

日本1974年10月在宫古线猿犴隧道内进行了运行列车的着火试验。

试验结果认为,列车在着火后再继续运行15min 是安全的,只是在隧道内的火灾使得着火车厢的温度比露天着火车厢内的温度高得多而已[8]。

但是模型实验观测到,当旅客列车卧铺车厢前部发生火灾时,若密闭性较高,烟雾在短时间内即可充满整个车厢,而且旅客列车中的可燃物燃烧含有大量有毒有害气体,用1102G 气相色谱仪分析旅客列车上的主要可燃物,获得了旅客列车火灾生成烟气的主要有害成分和数量,结果见表3。

当一氧化碳的浓度达6000×10-6时,5min 后,逃生人员失去行为能力;达到12000×10-6时,5min 后,人员死亡。

其他有毒有害成分的危害,可参见文献[9]。

因此,着火旅客列车若驶出隧道,采取洞外救援方案,很可能会造成大量旅客死亡。

因此,为了保障旅客的人身安全,也可以紧急停车,让旅客下车疏散,采取自救。

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21第1期运行旅客列车隧道火灾模型实验及数值模拟　
表3　旅客列车火灾烟气的有害成分及生成量
材料
有害成分及其生成量/(mg・g-1)
CO2CO CH4C2H4C2H2HCl HCN S O2NO NO2H Br NH3
人造纤维804180 2.27.2 1.80.050.06
车体内装宝丽板15412618.631.218.2聚丙烯腈806156 3.28.29.63750.60.76 1.07聚氯乙烯320316324100.020.03
羊毛108165 1.4641.30.720.410.18棉织衣物9081820.160.36
(2)旅客列车在进入隧道内发生初起火灾时,列车员应立即使用车内灭火器将火扑灭或控制火势,组织旅客有秩序地向邻近车厢疏散,防止旅客惊慌失措而跳车。

当火灾无法扑灭,而列车继续行走,准备让着火列车驶出隧道,在洞外进行扑救时,在把着火车厢的旅客疏散完后,尽可能地将有关的窗门关闭,减缓空气对流及火灾蔓延;关闭其他车厢的车窗,特别是着火车厢后面的车厢,防止烟雾进入其他车厢。

(3)当着火列车在隧道内停车时,如有廊道,将旅客疏散到廊道,廊道中应加压通风,防止火灾烟气进入旅客避难的廊道。

对无廊道的隧道,组织旅客沿着隧道远离火源,向送风方向疏散。

(4)火灾发生时,烟雾弥留在隧道上部,为了清晰辨识救灾路线,指示灯及事故照明灯应设置在中心线以下。

(5)数值模拟与实验对比表明,计算结果在趋势上定性合理,这说明了用CFD模拟方法研究隧道火灾的可行性。

但是由于模拟计算中没有考虑对火灾过程有重要影响的辐射换热,定量研究还不能完全符合实际情况。

5　结束语
本文对在隧道内运行的旅客列车发生火灾时所做的比例模型实验,可在一定程度上再现火灾的基本过程和现象。

但是由于受风洞的长度限制,只模拟了一节旅客车厢,模型实验缺乏系统性、全面性。

模型制作不够精细,实验次数较少,实验结果只能反映一般规律。

而火灾是隧道的主要灾害之一,危害性极大,如有可能,应对整列旅客列车的火灾燃烧过程、列车运行的不同工况、在隧道的不同位置、不同竖井通风方式等火灾模态下进行全比例的模型实验,从而为火灾对隧道的危害和救灾技术研究提供可靠、准确的数据。

参考文献:
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(责任编辑　张武美)
821铁 道 学 报第26卷。