楊柄航 朱杰

（1.四川師范大學(xué)工學(xué)院 成都 610101；2.四川省高校公共火災(zāi)防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610101）

0 引言

我國高速列車快速發(fā)展，從投放以來，運(yùn)營里程也在高速增長。2017年底，全國高速鐵路營運(yùn)里程達(dá)2.5萬km。截至2019年底，中國高速鐵路營運(yùn)總里程已達(dá)到3.5萬km，居世界第一。高速列車給人帶來便利的同時(shí)，也存在許多安全隱患，火災(zāi)隱患是其中重大隱患之一。高速列車運(yùn)行過程中，車廂內(nèi)可燃物較多，且空間相對密閉狹小，目前尚未配備一套完整的滅火體系，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢蔓延快，易造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

現(xiàn)階段車廂內(nèi)僅配備的手提式滅火器，在高速列車這一運(yùn)動體的受限狹長空間中，一旦發(fā)生火災(zāi)則火勢難以控制。傳統(tǒng)的自動噴淋系統(tǒng)用水量大，超細(xì)干粉滅火器其粉塵對人體傷害較大且能見度較低，都不具備可行性，而高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)能夠在站間運(yùn)行過程中高效、環(huán)保地控制火勢，以彌補(bǔ)當(dāng)前的不足，具有較高的經(jīng)濟(jì)適用性。

本文以CRH380D一節(jié)車廂為研究對象，設(shè)計(jì)一套完整的高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，綜合考慮其技術(shù)參數(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)，并運(yùn)用FDS數(shù)值模擬其滅火可行性。

1 高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的可行性分析

高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)是系統(tǒng)工作壓力在3.40 MPa以上的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，泵組或瓶組內(nèi)的水快速轉(zhuǎn)化為霧滴直徑Dv0.50小于200 um和Dv0.99小于400 um的水霧滴經(jīng)噴頭噴出至向下1 m處的平面上［1］。首先微小霧滴粒子在遇到高溫時(shí)可以迅速蒸發(fā)吸熱，快速降低環(huán)境溫度；其次蒸發(fā)形成水蒸氣，體積也發(fā)生巨大膨脹，在一受限空間內(nèi)氧氣的體積相對減少，從而形成一道霧滴屏障，火源中心因缺少氧氣停止或受抑，達(dá)到窒息滅火的作用，同時(shí)還能達(dá)到降煙洗塵的作用。對比ABC超細(xì)干粉滅火劑，二者在同一時(shí)間撲滅明火，但是細(xì)水霧系統(tǒng)降溫速度是超細(xì)干粉的2倍以上［2］，且具有更高的能見度，對旅客和財(cái)物的保護(hù)極其重要。

2 工程概況及物理模型

以CRH380D列車二等座車廂為研究對象，單節(jié)車廂全長26.6 m，寬3.358 m，車廂底部距頂部高3 m，車廂地板距頂部透氣網(wǎng)層高2.3 m。列車銜接處無法存放物品和站立乘客，故整節(jié)車廂防火區(qū)域僅考慮座位區(qū)、廁所和行李區(qū)，其全長23.5 m。車廂側(cè)視見圖1，模型見圖2。

圖1 車廂側(cè)視

圖2 車廂模型

火源、熱點(diǎn)偶、噴頭布置見圖3。

圖3 火源及測點(diǎn)布置圖

3 高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在CRH380D上的技術(shù)參數(shù)

根據(jù)《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB 50898—2013）標(biāo)準(zhǔn)的要求，本文采用遠(yuǎn)程和自動控制瓶組式高壓細(xì)水霧全淹沒閉式系統(tǒng)對車廂進(jìn)行保護(hù)，每節(jié)車廂分為兩個防火控制區(qū)由分區(qū)閥控制。綜合國家規(guī)范和車體結(jié)構(gòu)布局等多種因素的考慮，為最大化利用高壓細(xì)水霧，最終確定兩種設(shè)計(jì)方案，其具體參數(shù)見表1、表2。

表1 技術(shù)參數(shù)規(guī)范

表2 技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

4 模擬及驗(yàn)證

4.1 火源功率確定

熱釋放速率大體以t指數(shù)規(guī)律增長，可用式（1）表示。

式中，Q為火源功率，kW；為火災(zāi)增長系數(shù)，kW/s2。根據(jù) 的大小可將火災(zāi)分為慢速、中速、快速和超快速4種增長類型，t為點(diǎn)火后的時(shí)間，s。高速列車火災(zāi)增長系數(shù) 介于中速和快速之間，取0.043。同時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)計(jì)火災(zāi)中不考慮火災(zāi)衰減階段，選取0.5 m×0.5 m熱釋放速率為1 000 kW/m2的油盆火模擬乘客自帶可燃物品蓄意縱火，適用于絕大多數(shù)乘客所帶行李物品可能引發(fā)火災(zāi)的最大火源功率［3］。

4.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的確定對后期模擬的精度具有關(guān)鍵性作用。經(jīng)NIST驗(yàn)證，當(dāng)無量綱數(shù)在4～16時(shí)，F(xiàn)DS模擬精度較高。其中是名義網(wǎng)格尺寸，D*是火源特征直徑，計(jì)算式見式（2），火源特征直徑與網(wǎng)格尺寸約成10倍關(guān)系［4-6］。

式中，Q為火源熱釋放速率，取1 000 kW；a為空氣密度，取1 kJ/（kg·K）；Ta為環(huán)境溫度，取299 K；g為重力加速度，取9.8 m/s2；cp為空氣比熱容。計(jì)算得出火源特征直徑約為1.24 m，以此推算出網(wǎng)格尺寸范圍為0.077 5～0.31 m。最終網(wǎng)格尺寸選取為0.1 m，滿足網(wǎng)格獨(dú)立性要求。

4.3 模擬運(yùn)行

為避免其他變動因素的干擾，在滅火的全過程著火車廂內(nèi)空調(diào)及換風(fēng)系統(tǒng)全部關(guān)閉。噴頭激活溫度設(shè)置為68℃，F(xiàn)DS模擬運(yùn)行時(shí)間為300 s。高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)模擬滅火環(huán)境見圖4。

圖4 高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)運(yùn)行模擬

模擬中兩種方案火源燃燒至大約64 s時(shí)位于火源上方兩個噴頭開始運(yùn)行，隨后同一滅火分區(qū)上方噴頭同時(shí)運(yùn)行滅火。

4.4 模擬結(jié)果

通過FDS數(shù)值模擬分析可知當(dāng)選取設(shè)計(jì)工況一時(shí)車廂內(nèi)各部位溫度變化情況見圖5。

圖5 工況一火源正上方距離溫度變化

火源中心燃燒開始10 s后溫度達(dá)到最高800℃，在滅火系統(tǒng)啟動后一開始火源燃燒劇烈，霧滴粒子很難作用于火源中心，導(dǎo)致在燃燒發(fā)生后200 s內(nèi)溫度一直在700℃上下浮動。距火源中心豎直高度0.6 m和1.2 m處，一開始在滅火系統(tǒng)運(yùn)行后急速降溫后溫度又開始上升，其原因是火源發(fā)生爆燃較大的火源動能將霧滴粒子彈開，基本全由蒸發(fā)吸熱進(jìn)行降溫，在經(jīng)過178 s的高壓細(xì)水霧噴霧作用下溫度降至最低。位于車廂中部溫度變化見圖6，底部溫度在滅火全過控制在較低水平，而車廂頂部在著火后后一直維持在100℃左右的較高溫度，見圖7、圖8。

圖6 工況一列車中部溫度變化

圖7 工況一列車頂部橫向2.3 m溫度變化

圖8 工況一列車底部橫向0.6 m溫度變化

當(dāng)選取設(shè)計(jì)工況二時(shí)車廂內(nèi)各部位溫度變化情況見圖9。

圖9 工況二火源正上方距離溫度變化

在工況二中增大噴頭壓力和流量參數(shù)，減小其安裝高度及噴頭間距，相較于工況一霧滴粒子具有較大動能，更易克服火源爆燃產(chǎn)生的火源動能并直接作用于火源中心，能有效將火源上方溫度控制在200℃左右，在高壓細(xì)水霧噴霧作用115 s后明火撲滅。車廂中部溫度持續(xù)控制在100℃以下，僅2.3 m處溫度變化一致，見圖10。在滅火全過程車廂頂部與工況一相似一直維持在較高溫度，僅車廂底部連接處溫度有一定升高，見圖11、圖12。

圖10 工況二列車中部溫度變化

圖11 工況二列車頂部橫向2.3 m溫度變化

圖12 工況二列車底部橫向0.6 m溫度變化

在狹長受限空間滅火過程中，大量熱煙氣向上運(yùn)動，集中于火源正上方車廂頂部，并逐漸向車頂兩側(cè)蔓延，出現(xiàn)車廂頂部溫度高于火源的現(xiàn)象，一開始火源燃燒速率和動能較小，基本由水霧顆粒直接作用于火源位置降溫，導(dǎo)致車廂頂部升溫放緩，但整體呈上升趨勢。

由FDS全程數(shù)值模擬可知，高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況二在降低其安裝高度和間距、增大噴頭壓力和流量情況下能大大提高其滅火效率，能夠在2 min內(nèi)將明火撲滅，并有效控制車廂底部溫度在較低水平，相較于工況一具有更高的可行性。但模擬發(fā)現(xiàn)車廂頂部溫度一直相對較高，且有向車廂連接處蔓延的趨勢，這要求車廂頂部及連接處材質(zhì)選擇的材質(zhì)能夠有效防止火災(zāi)向隔壁車廂傳遞。

5 結(jié)論

高速列車站間運(yùn)行時(shí)間長且車廂內(nèi)乘客較多，一旦發(fā)生火災(zāi)人員混亂且較難疏散，后果嚴(yán)重。這就要求在列車上安裝一套完善的滅火系統(tǒng)，本文以高速列車CRH380D二等座車廂為模型，通過技術(shù)參數(shù)計(jì)算并設(shè)計(jì)出高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的具體應(yīng)用，通過FDS數(shù)值模擬車廂內(nèi)滅火全過程，研究表明：

1）在列車運(yùn)行過程中高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況二能夠在120 s時(shí)撲滅明火，同時(shí)使車內(nèi)溫度維持在較低水平，相較于傳統(tǒng)自動噴淋系統(tǒng)具有較高的效率。

2）在電器和燃油等對滅火劑要求較高的火災(zāi)中，高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)也能夠完美適用。相較于傳統(tǒng)滅火方式和超細(xì)干粉滅火劑更加安全環(huán)保。

3）整套滅火系統(tǒng)在造價(jià)、維修、保養(yǎng)成本上相比市面上的滅火系統(tǒng)更低。

4）可根據(jù)列車內(nèi)部構(gòu)造，僅改變管道路徑進(jìn)行靈活布置。

綜合安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效等因素最終選擇瓶組式高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)應(yīng)用于CRH380D上具有較高的可行性。但對車廂頂部和車廂連接處耐火材料的選擇和溫度的控制有待進(jìn)一步深入研究。