空气幕作用下地铁车辆温度演化规律研究

空气幕作用下地铁车辆温度演化规律研究

胡梓祎  ,祖振南 

中车株洲电力机车有限公司 湖南株洲  412001

大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室  湖南株洲  412001

摘要：本文基于FDS模拟研究了火灾条件下空气幕的设置对地铁车厢温度演化规律的影响，通过改变空气幕的射流速度和射流角度，分析不同工况下空气幕对烟气的抑制作用。研究表明，空气幕的设置可极大程度抑制烟气的蔓延，射流速度达到一定阈值后（4m/s），空气幕速度的增加对火灾蔓延的抑制效果先减弱再逐渐增强，随着射流角度的增大，空气幕抑制烟气蔓延的作用先增加后逐渐减小，射流角度为30°时抑制效果达到最大。

关键词：空气幕，FDS，射流风速，射流角度

1、概述

城市群轨道交通网络的建设可促进中心城区之间、中心城区与外围新建城区、新建城区与周边城市之间的经济快速协调发展，城市化空间范围的扩大使得市域快线与市域列车的需求逐渐增加，相较于市内地铁，市域列车具有速度快、线路长、站间距大等特点[1]。

城轨车辆属于人员密集型受限空间，其运行一般处于复杂、狭窄、密闭的地下空间，一旦发生火灾，将会产生大量烟气和热量并蔓延至整个车厢，严重威胁乘客生命安全及列车的行车安全。目前城轨车辆防火设计广泛采用EN 45545标准，其中运行类别(OC)是指导车辆进行防火设计的重要参数，运行类别的确定与线路条件有关，EN45545-1中规定[2]，OC3适用于运行于下列基础设施中的车辆：

1.具有侧面疏散；

2.隧道以及/或者高架设施大于5公里长度。

市域列车的站间距一般较长（超过5km），其运行类别可定为OC3，EN45545-3中规定：运行类别为OC3时，每隔30m需在客室之间设置防火隔断。目前国内地铁车辆暂无设置客室隔断的案例，设置客室隔断将会对目前的地铁车辆设计产生极大影响，同时，地铁车辆客流量较大，人员流动频繁，设置客室隔断不利于车辆之间的人员流通。

空气幕是由带状出口喷出的具有一定速度和厚度的幕状气流，在发生火灾时可阻挡烟气的横向移动，确保乘客在逃生过程中不受烟气的影响。施惠明等[3]通过FDS模拟分析了空气幕对着火车厢烟气和温度影响，发现在空气幕射流角度为45°时防烟效果最好；何珺怡[4]通过研究发现火源周围2米范围内温度的影响最为剧烈；陈斯等[5]通过对比车厢不同位置典型火源条件下烟气的蔓延特性发现，火源设置在第二节车厢的中部时，ASET小于其他位置火源，该位置发生火灾时对乘客疏散的影响最大。

与客室隔断相比，空气幕不占用客室空间，在探测到火灾时可自动开启，乘客可立即疏散至相邻车厢，不用考虑隔断门的影响。本文运用数值模拟的方法，通过构建FDS模型，探究发生车辆火灾后，空气幕射流速率、射流角度对着火车厢相邻客室内温度演化规律的影响，提出一种方案替代OC3条件下地铁车辆防火隔断的设置。

2、建立模型

2.1车辆模型

以B型地铁车辆为原型建立pyrosim仿真模型，共A、B、C三节车厢，车厢外部尺寸为长×宽×高=19m×2.8m×2.6m,车辆之间通过贯通道连接，车厢内中顶板距地板高度为2.1m，每节车厢每侧设置4套客室侧门，火灾发展过程中客室侧门处于关闭状态，空调系统关闭新风门和回风门，空气幕设置在每节车厢中顶板的二位端，宽度为0.2m，长度与列车宽度保持一致，网格计算区域60m×4m×4m，网格尺寸为。

图1 模型图（从左到右为C、B、A，左侧为二位端）

2.2火源及测点布置

火源设置在B车中部地板上，火源功率为3000KW，面积为1m×1m，在每节车厢纵向中线方向设置5个温度测点，距离地板面1.7m，每个测点相距3m，用于监测火灾发展过程中车厢内的温度变化情况。

2.3模拟工况

空气幕射流速度和射流角度是影响温度及烟气蔓延特性的重要参数，本次数值模拟对比无空气幕、不同射流速度、射流角度下的地铁车厢内的温度演化规律，具体工况如下：

表1 工况表

3、数据分析

B车发生火灾后，A车、B车的乘客和乘务人员开始逃离火灾区域，向C车方向进行疏散并进入另外半列车，C车受着火车厢影响最大，因此C车车厢温度变化代表了火灾对人员疏散的最大影响，探究C车温度演化规律即可了解空气幕对火灾发展的抑制作用。

3.1烟气运动规律

图2展示了不同时刻车厢内的烟气运动情况，无空气幕条件下，火灾发展到50s左右烟气开始从B车向相邻的A、C两车蔓延，此时B车未形成明显烟气层，120s时烟气基本已覆盖至A、B、C车整个车厢，烟气层厚度接近地板面高度，烟气蔓延对乘客影响较大；空气幕速度V=4m/s条件下，随着车辆火灾的发展，烟气首先被空气幕阻挡在B车车厢内形成烟气层，当火灾发展到120s时烟气开始逐渐向A、C车蔓延，240s时烟气开始蔓延至整个车厢，从图中可以看出，此时的烟气浓度低于无空气幕时的烟气浓度，空气幕的设置达到较好的防烟效果。

（a） 无空气幕条件下50s时的烟气分布图

（b） 无空气幕条件下120s时的烟气分布图

（c） 空气幕V=4m/s条件下120s时的烟气分布图

（d） 空气幕V=4m/条件下240s时的烟气分布图

图2 烟气运动图

3.2空气幕射流风速对相邻车厢温度的影响

在C车车厢中部1.7m高度处设置测点tem1.3，该点的温度变化作为C车整个车厢温度变化的均值，从图3中可以看出，在火灾发展的过程中，0-60s时是否设置空气幕对车厢内温度影响较小，此时烟气还未蔓延至C车中部；火灾发展到60s后，B车车厢内形成烟气层，在烟气层厚度达到空气幕射流长度后，烟气越过空气幕进入相邻车厢，C车车厢内的温度开始上升，如图所示，空气幕作用下的客室温度远小于无空气幕时的车厢温度，且在210s前，空气幕射流风速越大，C车车厢内的平均温度越低，阻烟效果越好；在210s后，射流风速为4m/s时的防烟效果强于风速5m/s和6m/s的工况，不符合射流速度越大，抑制效果越明显的规律。

图3  不同射流风速条件下C车车厢中部1.7m高度处的温度变化曲线

为探究风速影响规律变化的原因，在C车一位端中心线1.7m处添加测点tem1.5，该测点距离是C车距离火灾最近的位置。不同风速条件下Tem1.5温度变化规律如图4所示，从图中可看出，风速从4m/s增大到7m/s的过程中，该点温度逐渐增大，阻烟效果下降；风速从7m/s增大到10m/s的过程中，该点温度温度逐渐减小，阻烟效果上升。

造成这种现象的原因与空气卷吸有关，当烟气运动到与空气幕接触时，由于空气的卷吸作用，部分烟气被卷吸到气流里并向空气幕下方吹送，之后越过气流蔓延到C车车厢，空气幕射流速度越快，被卷吸进C车的烟气越多；随着空气幕速度继续增大，空气幕气流垂直长度增大直至接触地板面，此时烟气无法通过卷吸到空气幕下端进入相邻车厢，只能卷吸进气流越过空气幕向其它车厢传递，且射流速度越大空气幕隔绝烟气能力越强。综上，在射流速度达到一定阈值后（4m/s），空气幕速度的增加对于烟气蔓延的抑制作用存在一个先降低之后再逐渐增强的过程，考虑到节能的因素，空气幕的射流速度建议设置为4m/s。

图4  不同射流风速条件下C车车厢中部1.7m高度处的温度变化曲线

图5  射流速度影响下的烟气运动示意图

3.3空气幕射流角度对相邻车厢温度的影响

图6反映了不同射流角度对C车内温度的影响情况，从图中可以看出，当射流角度从0°增大到30°过程中，车厢温度呈下降趋势，空气幕的作用逐渐增大，这是由于具有偏转角度的空气幕射流提供了一个水平方向的速度，如图7所示，水平速度分量Vx用于抑制烟气蔓延时的水平速度，烟气在蔓延到空气幕时，因射流水平速度的存在，烟气被吹回B车车厢，延缓了烟气蔓延的速度。

当空气幕射流角度从30°增大到60°时，车厢温度呈上升趋势，空气幕的作用逐渐减小，这是由于相同射流速度下，随着射流角度的增大，水平分速度Vx也在逐渐增大，但垂直分速度Vy减小，空气幕在垂直方向上的长度减小，竖直射流长度限制了B车烟气层的厚度，随着烟气的逐渐积累，烟气层厚度超过竖直射流长度后，越过空气幕进入C车车厢，空气幕的阻烟作用逐渐减小。因此，当射流角度为30°时，空气幕的阻烟作用最好。

图6  不同射流角度条件下C车车厢中部1.7m高度处的温度变化曲线

图7 射流角度影响下的烟气运动示意图

4、结论

（1）空气幕的存在极大程度上抑制了烟气的蔓延，作为客室防火隔断的替代是一种极好的方案。

（2）随着射流速度的增大，空气幕抑制烟气的作用存在先降低之后逐渐上升的过程，考虑到节能的因素，建议空气幕速度设置为4m/s。

（3）随着空气幕射流角度的增大，空气幕抑制烟气的作用先逐渐上升，射流角度30°时抑制效果达到最大，之后继续增大射流角度，抑制烟气的作用逐渐降低。

参考文献：

[1]刘峰，环长株潭城市群交通一体化的时空演化与优化对策[J]，交通企业管理，2022，2（372）

[2]EN45545,Railway applications - Fire protection on railway vehicles[S]

[3]施惠明，空气幕对列车车厢火灾烟气的影响规律研究，消防科学与技术，2021，4（40）

[4]何珺怡，地铁火灾车厢烟气蔓延模拟研究[J]，安徽：安徽建筑大学，2018

[5]陈斯，多区域地铁车厢火灾烟气蔓延特性的数值仿真研究[J]，铁路计算机应用，2020，2（97）

作者简介：胡梓祎，2020年毕业于中国地质大学（武汉）工程学院，安全工程，从事轨道交通车辆防火设计。