地鐵列車中可燃物熱釋放速率的測定

1、地鐵列車中可燃物熱釋放速率的測定     摘要介紹了目前常用的室內(nèi)火災(zāi)模擬方法區(qū)域模擬與場模擬,并對其各自的特點和局限性進行對比討論;同時還介紹了基于質(zhì)量損失速率的熱釋放速率測試方法,給出了部分實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分析?；鹪礋後尫潘俾实拇笮τ诨馂?zāi)的溫度分布及煙氣流動的影響較大。關(guān)鍵詞地鐵動車,室內(nèi)火災(zāi)模擬,熱釋放速率測試       由于地鐵車廂內(nèi)人員密度大,活動空間小,且列車處于高速運動狀態(tài),一旦發(fā)生火災(zāi),火勢發(fā)展迅速,燃燒蔓延快,火災(zāi)引發(fā)的熱量和煙氣在車廂內(nèi)會迅速地傳播蔓延,并在短時間內(nèi)遍布整個

2、車廂,造成重大人員傷亡經(jīng)濟損失1。      用數(shù)值模擬的方法預(yù)測室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展是一種有效的研究火災(zāi)的方法。由于其參數(shù)設(shè)定具有任意性和預(yù)測結(jié)果的可再現(xiàn)性,該方法受到研究者的重視,目前利用該方法對火災(zāi)發(fā)展的數(shù)值預(yù)測已取得了不少有益的成果。數(shù)值模擬方法應(yīng)用的前提是必須建立正確、可信的火災(zāi)數(shù)學(xué)模型,必須對模型結(jié)果進行試驗驗證。室內(nèi)火災(zāi)計算機模型大體上分為場模型(FleldModel)、區(qū)域模型(ZoneModel)、網(wǎng)絡(luò)模型(NetworkModel)和專家模型等。目前室內(nèi)火災(zāi)模型多采用將空間分為上下兩區(qū),假定各區(qū)煙氣特性相同的區(qū)域模型。區(qū)域模型計算

3、時間短,可直接用于防火設(shè)計2。此外,近年來不同層次的場模擬方法借助于高速發(fā)展的計算機技術(shù)有了突破性發(fā)展,并且在實際應(yīng)用中有逐步取代區(qū)域模擬的勢頭。      室內(nèi)火災(zāi)的主要危害來自于熱和煙氣,而最大的危害是由熱引起的。因此,不論區(qū)域模型還是場模型都離不開對火源熱釋放速率(HRR)的研究。熱釋放速率是評價火災(zāi)危險性的重要參數(shù),也是進行火災(zāi)模擬研究的基礎(chǔ)參數(shù)。在過去20年里,火災(zāi)過程中熱釋放速率的測試方法有較大發(fā)展,出現(xiàn)了基于氧消耗原理的熱釋放速率測試方法。此外,基于質(zhì)量損失速率的熱釋放速率測試方法也是一種較為重要的測試方法。本文主要介紹區(qū)域模擬和

4、場模擬2種室內(nèi)火災(zāi)模擬方法,以及基于質(zhì)量損失速率,運用熱重/同步差熱分析儀TGA/SDTA851e測試木頭、皮革、海綿的熱釋放速率的小尺寸的實驗測試方法。1 室內(nèi)火災(zāi)模擬的主要方法1.1 區(qū)域模擬方法      區(qū)域模型把室內(nèi)空間人為地分成23個區(qū)域,一般劃分為上部熱煙氣層和下部冷氣層,且認(rèn)為每個區(qū)域內(nèi)部的各種參量均勻分布,都是時間的函數(shù)。為進一步簡化問題,對區(qū)域模型作如下假設(shè)3:      (1)室內(nèi)上部煙氣層和下部冷氣層均勻;      (2

5、)上下兩層有明顯的分界面;      (3)燃燒產(chǎn)物和有效熱量及卷吸的空氣全部進入上部熱煙氣層,且充分混合;      (4)下部冷氣層視為熱透明體,忽略火焰、煙氣羽流對上部熱煙氣層和下部冷氣層的直接輻射作用;      (5)上下兩層及周圍空氣均視為理想氣體。      煙氣層質(zhì)量平衡:      區(qū)域模擬以其物理基礎(chǔ)可行、計算簡便工程應(yīng)用高效等

6、優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。但是,由于區(qū)域模擬法將室內(nèi)劃分為若干個物性參數(shù)近似均勻分布的區(qū)域,在反映火災(zāi)過程時引入了較多的假設(shè),與實際物理過程有較大的差距。因此,它很難處理眾多火災(zāi)影響因素,如火源位置、初始和邊界條件等對火災(zāi)過程的影響4。1.2 場模擬方法      場模擬理論是20世紀(jì)80年代提出來的。由于真正引入了火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展過程中各狀態(tài)參數(shù)空間分布及其隨時間變化的控制方程,場模擬理論能夠精確地反應(yīng)火災(zāi)過程中室內(nèi)煙氣運動的速度、室內(nèi)空氣溫度的變化、空氣中各組分濃度的變化以及火焰的蔓延速度等。場模擬理論的物理基礎(chǔ)是關(guān)于火災(zāi)中眾多物理參數(shù)的控制方程,因

7、此,各物理參數(shù)的求取依賴于數(shù)值計算。室內(nèi)火災(zāi)場模擬的研究重點是從突出湍流模型的研究開始的。描述室內(nèi)煙氣運動的微分方程滿足以下通用形式:      式中:為某一通用物理量(如速度分量、溫度、組分濃度、湍流動能和湍流耗散率等);、V、和S分別為氣體的密度、速度、擴散系數(shù)和源項。      場模擬建立在火災(zāi)中物理參數(shù)空間時間分布的控制方程基礎(chǔ)之上,起火源位置物理參數(shù)的變化,都能獲得真實的結(jié)果。在計算過程中適當(dāng)調(diào)整初始和邊界條件,就可以及時、準(zhǔn)確地得出氣流速度、溫度等物理量4。  &

8、#160;        為了能夠定量地運用CFD(computationalfluiddynamics)或場模擬方法來研究室內(nèi)火災(zāi)安全問題,火災(zāi)模擬模型的建立非常重要。在燃燒模型方面,越來越復(fù)雜的模型被人們研究和使用,以期更好地描述受限空間中火災(zāi)的物理和化學(xué)過程。CFD方法雖然需要較多的計算機資源,但它不像區(qū)域模型那樣對許多火災(zāi)問題存在較大的局限性,因此日益受到重視。一種簡化的場方法,即在場模擬中用熱源來描述火災(zāi)的方法,能描述火災(zāi)中的氣流和溫度特性,但是未考慮燃燒過程和熱輻射的模擬5。2 熱釋放速率的實驗測試2.1 實驗原理

9、0;     分別將待測的3種材料(木頭、皮革、海綿)放入熱重/同步差熱分析儀TGA/SDTA851e的燃燒爐內(nèi),從室溫開始升高溫度(木頭和皮革,20/min海綿,10/min),在實驗過程中通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以直接測定可燃物質(zhì)量隨時間的變化,并換算為可燃物的質(zhì)量損失速率rm。運用下式計算可燃物的熱釋放速率6:Q=rm·Hu·x              (4)對于混合可燃物可采用下式計算可燃物的平均熱值。

10、       式中:Hi為第i種可燃物的熱值;Pi為第i種可燃物所占的比例;n為混合可燃物中可燃物的種類;為燃燒因子,表示可燃物的燃燒程度,一般取0.30.6。2.2 實驗結(jié)果及分析      圖1為木頭、皮革、海綿的單位質(zhì)量熱釋放率曲線。從圖中可看出,單位質(zhì)量熱釋放速率最大的是木頭,其最大值可達(dá)1200W/g;最小的是海綿,不到120W/g。由此可知,木頭的熱釋放速率對火源熱釋放速率的影響最大。3種材料中,燃燒所需溫度最低的是海綿,大約在235左右開始燃燒。因此,它最有可能成為地鐵火災(zāi)中的起火

11、源。此外,皮革比木頭和海綿具有較長的陰燃時間。固體燃料的燃燒首先要分解出可燃性揮發(fā)氣體,這說明皮革需要較多的熱量來加熱本身而分解出揮發(fā)性氣體。      圖中3種材料的熱釋放速率曲線大體成拋物線型。實際上,無論對于哪種形式的火災(zāi),熱釋放速率都可分為初始增長階段、穩(wěn)定燃燒階段和減弱階段。在火災(zāi)的初始增長階段,熱釋放速率的增長是逐漸加速的,在不太長的時間內(nèi)增大到最大值。多數(shù)可燃物的熱釋放速率在一段時間內(nèi)將保持在這個值上,即熱釋放速率大體維持定值。本實驗中,3種材料的穩(wěn)定燃燒階段非常短,以至可以忽略不計。燃燒一定的時間以后,由于燃料的消耗,熱釋放速率

12、開始下降,直至完全熄滅7。33 結(jié)語      火災(zāi)過程中火源的熱釋放速率是評價火災(zāi)危險性的重要參數(shù),也是進行火災(zāi)模擬研究的基礎(chǔ)參數(shù)。由于列車車廂屬受限空間,火災(zāi)發(fā)生后,生成的煙氣迅速蔓延,短時間內(nèi)會充滿整個車廂?；鹪礋後尫潘俾实拇笮τ诨馂?zāi)的溫度分布及煙氣流動的影響較大?；鹪礋後尫潘俾瘦^小時,較短時間內(nèi)仍能產(chǎn)生大量的煙氣;火源熱釋放速率較大時,煙氣生成流動更快,煙氣層也會以更快的速度下降。煙氣及其煙氣中的有毒成分將對人的健康構(gòu)成威脅,因此,對火源熱釋放速率的實驗研究將有助于對列車安全運行和火災(zāi)防護設(shè)計等方面提出有益的建議。 

13、0;    火災(zāi)實驗是一種破壞性試驗,大型火災(zāi)實驗耗費往往很大。采用數(shù)值模擬的方法對列車車廂火災(zāi)進行研究有助于列車車廂火災(zāi)過程的分析。由于火災(zāi)是一種較為復(fù)雜的現(xiàn)象,其數(shù)值模擬的過程采用了大量的簡化處理,因此還需要進一步發(fā)展和完善數(shù)值模擬方法,使其在火災(zāi)的研究中得到更加有效的應(yīng)用。 <BR參考文獻1劉采峰,彭嵐,劉朝.列車車廂內(nèi)火災(zāi)煙氣運動的數(shù)值模擬研究J.熱科學(xué)與技術(shù),2003,2(4):352.2劉方,付祥釗,鄭潔,等.中庭火災(zāi)煙氣流動數(shù)值模擬J.安全與環(huán)境學(xué)報,2001,1(5):33.3殷志祥,羅濤.室內(nèi)火災(zāi)的計算機模擬.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2003,22(6)