地铁列车中可燃物热释放速率的测定

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摘　要　介绍了目前常用的室内火灾模拟方法———区域模拟与场模拟,并对其各自的特点和局限性进行对比讨论;同时还介绍了基于质量损失速率的热释放速率测试方法,给出了部分实验数据和结果分析。火源热释放速率的大小对于火灾的温度分布及烟气流动的影响较大。

关键词　地铁动车,室内火灾模拟,热释放速率测试

由于地铁车厢内人员密度大,活动空间小,且列车处于高速运动状态,一旦发生火灾,火势发展迅速,燃烧蔓延快,火灾引发的热量和烟气在车厢内会迅速地传播蔓延,并在短时间内遍布整个车厢,造成重大人员伤亡和经济损失[1]。

用数值模拟的方法预测室内火灾的发展是一种有效的研究火灾的方法。由于其参数设定具有任意性和预测结果的可再现性,该方法受到研究者的重视,目前利用该方法对火灾发展的数值预测已取得了不少有益的成果。数值模拟方法应用的前提是必须建立正确、可信的火灾数学模型,必须对模型结果进行试验验证。室内火灾的计算机模型大体上分为场模型(fleldmodel)、区域模型(zonemodel)、网络模型(networkmodel)和专家模型等。目前室内火灾模型多采用将空间分为上下两区,假定各区烟气特性相同的区域模型。区域模型计算时间短,可直接用于防火设计[2]。此外,近年来不同层次的场模拟方法借助于高速发展的计算机技术有了突破性发展,并且在实际应用中有逐步取代区域模拟的势头。

室内火灾的主要危害来自于热和烟气,而最大的危害是由热引起的。因此,不论区域模型还是场模型都离不开对火源热释放速率(hrr)的研究。热释放速率是评价火灾危险性的重要参数,也是进行火灾模拟研究的基础参数。在过去20年里,火灾过程中热释放速率的测试方法有较大发展,出现了基于氧消耗原理的热释放速率测试方法。此外,基于质量损失速率的热释放速率测试方法也是一种较为重要的测试方法。

本文主要介绍区域模拟和场模拟2种室内火灾模拟方法,以及基于质量损失速率,运用热重/同步差热分析仪tga/sdta851e测试木头、皮革、海绵的热释放速率的小尺寸的实验测试方法。

1 室内火灾模拟的主要方法

1.1 区域模拟方法

区域模型把室内空间人为地分成2~3个区域,一般划分为上部热烟气层和下部冷气层,且认为每个区域内部的各种参量均匀分布,都是时间的函数。为进一步简化问题,对区域模型作如下假设[3]:

(1)室内上部烟气层和下部冷气层均匀;

(2)上下两层有明显的分界面;

(3)燃烧产物和有效热量及卷吸的空气全部进入上部热烟气层,且充分混合;

(4)下部冷气层视为热透明体,忽略火焰、烟气羽流对上部热烟气层和下部冷气层的直接辐射作用;

(5)上下两层及周围空气均视为理想气体。

烟气层质量平衡:

区域模拟以其物理基础可行、计算简便、工程应用高效等优点而被广泛应用。但是,由于区域模拟法将室内划分为若干个物性参数近似均匀分布的区域,在反映火灾过程时引入了较多的假设,与实际物理过程有较大的差距。因此,它很难处理众多火灾影响因素,如火源位置、初始和边界条件等对火灾过程的影响[4]。

1.2 场模拟方法

场模拟理论是20世纪80年代提出来的。由于真正引入了火灾发生、发展过程中各状态参数空间分布及其随时间变化的控制方程,场模拟理论能够精确地反应火灾过程中室内烟气运动的速度、室内空气温度的变化、空气中各组分浓度的变化以及火焰的蔓延速度等。场模拟理论的物理基础是关于火灾中众多物理参数的控制方程,因此,各物理参数的求取依赖于数值计算。室内火灾场模拟的研究重点是从突出湍流模型的研究开始的。描述室内烟气运动的微分方程满足以下通用形式:

式中:φ为某一通用物理量(如速度分量、温度、组分浓度、湍流动能和湍流耗散率等);ρ、v、γφ和sφ分别为气体的密度、速度、扩散系数和源项。

场模拟建立在火灾中物理参数空间时间分布的控制方程基础之上,起火源位置物理参数的变化,都能获得真实的结果。在计算过程中适当调整初始和边界条件,就可以及时、准确地得出气流速度、温度等物理量[4]。

为了能够定量地运用cfd(computationalfluiddynamics)或场模拟方法来研究室内火灾安全问题,火灾模拟模型的建立非常重要。在燃烧模型方面,越来越复杂的模型被人们研究和使用,以期更好地描述受限空间中火灾的物理和化学过程。cfd方法虽然需要较多的计算机资源,但它不像区域模型那样对许多火灾问题存在较大的局限性,因此日益受到重视。一种简化的场方法,即在场模拟中用热源来描述火灾的方法,能描述火灾中的气流和温度特性,但是未考虑燃烧过程和热辐射的模拟[5]。

2 热释放速率的实验测试

2.1 实验原理

分别将待测的3种材料(木头、皮革、海绵)放入热重/同步差热分析仪tga/sdta851e的燃烧炉内,从室温开始升高温度(木头和皮革,20℃/min海绵,10℃/min),在实验过程中通过数据采集系统可以直接测定可燃物质量随时间的变化,并换算为可燃物的质量损失速率rm。运用下式计算可燃物的热释放速率[6]:

q=rm·hu·x (4)

对于混合可燃物可采用下式计算可燃物的平均热值。

式中:hi为第i种可燃物的热值;pi为第i种可燃物所占的比例;n为混合可燃物中可燃物的种类;χ为燃烧因子,表示可燃物的燃烧程度,一般取0.3~0.6。

2.2 实验结果及分析

图1为木头、皮革、海绵的单位质量热释放率曲线。从图中可看出,单位质量热释放速率最大的是木头,其最大值可达1200w/g;最小的是海绵,不到120w/g。由此可知,木头的热释放速率对火源热释放速率的影响最大。3种材料中,燃烧所需温度最低的是海绵,大约在235℃左右开始燃烧。因此,它最有可能成为地铁火灾中的起火源。此外,皮革比木头和海绵具有较长的阴燃时间。固体燃料的燃烧首先要分解出可燃性挥发气体,这说明皮革需要较多的热量来加热本身而分解出挥发性气体。

图中3种材料的热释放速率曲线大体成抛物线型。实际上,无论对于哪种形式的火灾,热释放速率都可分为初始增长阶段、稳定燃烧阶段和减弱阶段。在火灾的初始增长阶段,热释放速率的增长是逐渐加速的,在不太长的时间内增大到最大值。多数可燃物的热释放速率在一段时间内将保持在这个值上,即热释放速率大体维持定值。本实验中,3种材料的稳定燃烧阶段非常短,以至可以忽略不计。燃烧一定的时间以后,由于燃料的消耗,热释放速率开始下降,直至完全熄灭[7]。3

3 结语

火灾过程中火源的热释放速率是评价火灾危险性的重要参数,也是进行火灾模拟研究的基础参数。由于列车车厢属受限空间,火灾发生后,生成的烟气迅速蔓延,短时间内会充满整个车厢。火源热释放速率的大小对于火灾的温度分布及烟气流动的影响较大。火源热释放速率较小时,较短时间内仍能产生大量的烟气;火源热释放速率较大时,烟气生成流动更快,烟气层也会以更快的速度下降。烟气及其烟气中的有毒成分将对人的健康构成威胁,因此,对火源热释放速率的实验研究将有助于对列车安全运行和火灾防护设计等方面提出有益的建议。

火灾实验是一种破坏性试验,大型火灾实验耗费往往很大。采用数值模拟的方法对列车车厢火灾进行研究有助于列车车厢火灾过程的分析。由于火灾是一种较为复杂的现象,其数值模拟的过程采用了大量的简化处理,因此还需要进一步发展和完善数值模拟方法,使其在火灾的研究中得到更加有效的应用。

参考文献

[1]刘采峰,彭岚,刘朝.列车车厢内火灾烟气运动的数值模拟研究[j].热科学与技术,2003,2(4):352.

[2]刘方,付祥钊,郑洁,等.中庭火灾烟气流动数值模拟[j].安全与环境学报,2001,1(5):33.

[3]殷志祥,罗涛.室内火灾的计算机模拟.辽宁工程技术大学学报,2003,22(6):818.

[4]阎幼锋.室内火灾过程的计算机模拟[d].西安:西安建筑科技大学,2001.

[5]陈大宏,袁国杰,guanhengyeoh,等.室内火灾数值模拟方法的探讨[j].燃烧科学与技术,2003,9(2):100.

[6]程远平,陈亮,张孟君.火灾过程中火源热释放速率模型及其实验测试方法[j].火灾科学,2002,11(2):73.

[7]钟委,霍然,史聪灵.热释放速率设定方式的几点讨论[j].自然灾害学报,2004,13(2):65.