高速列车材料测试及轰燃研究

中国测试CHINAMEASUREMENT&TESTVol.42No.2February，2016第42卷第2期2016年2月高速列车材料测试及轰燃研究王建帆袁苏燕辰（西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）摘要院为得到CRH2型高速列车燃烧热释放速率尧烟气运动等表征燃烧特性的数据曲线袁基于ISO5660-1要要要2002和ISO1716要要要2002标准对车用主要材料进行燃烧实验袁并建立Pyrosim高速列车4号车厢模型进行燃烧仿真袁得出不同起火位置尧不同通风条件下列车热释放速率曲线尧温度尧热流量和烟层高度的变化情况袁并根据轰燃发生的热释放速率判据判断各个工况是否发生轰燃袁分析CRH2型高速列车的防火性能遥结果表明院座椅着火会使列车内部发生轰燃现象袁轰燃发生之后通风会由于进入的空气对车内燃烧起助燃作用遥关键词院热释放速率；轰燃；高速列车；材料测试文献标志码院A文章编号院1674-5124渊2016冤02-0127-05Materialstestingandflashoverresearchinhigh-speedtrainsWANGJianfan，SUYanchen（SchoolofMechanicalandEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China）Abstract:Inordertogetthedatacurvesforcombustioncharacteristicslikeheatreleaserate（HRR）andsmokemovementofCRH2high-speedtrains，theauthorshavetestedtheautomotivematerialsbasedontheISO5660-1———2002standardandtheISO1716———2002standardandhaveestablishedaPyrosimmodelfortheNo.4compartmentonahigh-speedtrainaccordingly.Throughcombustionsimulation，theauthorshaveobtainedtheHRRcurve，temperature，heatfluxandsmokelayerheightofthetrainatdifferentignitionlocationsandunderdifferentventilationconditions.Inaddition，theauthorshaveusedtheflashoverHRRtodeterminewhetherflashoveroccurredundereachworkingconditionandtoanalyzethefireresistanceofthehigh-speedtrainCRH2.Thestudyhasindicatedthatthefireontheseatcancauseflashoverinsidethetrainandwillspreadquicklyiffreshairisletin.Keywords:heatreleaserate；flashover；high-speedtrains；materialstesting收稿日期院2015-03-11曰收到修改稿日期院2015-04-16作者简介：王建帆渊1989-冤袁女袁山西汾阳市人袁专业方向为高铁防火测试遥doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.0290引言由于高速列车内装饰材料多为非金属材料袁列车上火源尧电源较多袁列车火灾危险性大[1]袁故高速列车防火安全在国内外都受到格外重视遥Pyrosim软件仿真对于模拟高速列车燃烧的热释放速率有很好的吻合度[2]遥本文采用Pyrosim软件建立准确的CRH2型高速列车4号车厢模型袁仿真得到列车中起火位置尧通风情况不同时袁车内热释放速率曲线和烟气运动模拟等输出参数的变化情况袁并与临界热释放速率比较袁由此判断车内是否发生轰燃袁对高速列车编制应急方案尧消防疏散演练袁以及高铁材料的选择尧优化和评估提供重要依据遥1Pyrosim简介PyroSim是美国的Thunderheadengineering公司开发的火灾模拟前处理和后处理软件袁它是在FDS中国测试2016年2月的基础上发展起来的辅助软件[3]遥Pyrosim有3个工作界面院3Dview尧2Dview以及RecordView遥在3DView和2DView中可以直接建模袁在RecordView详细记录了建模时所执行的每一条命令动作和参数袁方便检查错误遥建模完成之后袁输入materials尧vent尧surfaces尧obstruction等参数袁然后按照需要在合适位置添加传感器袁如热电偶尧烟雾传感器尧流量传感器等袁程序运行之后就能得到热释放速率曲线尧温度尧烟雾密度尧热辐射通量等数据遥2轰燃的定义以及常用判据轰燃标志着火灾由初期阶段向充分发展阶段的转变袁轰燃的表现有以下3点院1冤火灾由局部火向大火的转变袁转变完成后袁所有可燃物表面都开始燃烧曰2冤燃烧由燃料控制向通风控制的转变曰3冤在天花板下方积聚的未燃气体或蒸气突然着火而造成火焰迅速扩展[4]渊在达到轰燃临界值时袁天花板的温度设定为600益冤遥本文采用热释放速率判据来判断车内轰燃是否发生袁即燃烧产生的热释放速率是否超过发生轰燃所需的临界热释放速率遥临界热释放速率有3种计算方法[5]院Q0=750A0H01/2渊1冤Q0=610渊hkATA0H01/2冤1/2渊2冤Q0=7.8AT+378A0H01/2渊3冤式中院Q0要要要产生轰燃所需的最小热释放速率袁kW曰hk要要要有效的热传递系数袁kW/渊m窑K冤曰AT要要要车内所有表面的总面积袁m2曰A0要要要门窗等开口的面积袁m2曰H0要要要车内门窗等开口的高度袁m遥本文采用第3种方法来计算袁在不打开车材料名称密度/渊kg窑m-3冤比热/渊kJ窑kg-1窑K-1冤导热系数/渊W窑m-1窑K-1冤辐射系数吸收系数/m-1燃烧热/渊MJ窑kg-1冤座椅蒙面布3660.1170.0760.880.5921.833坐垫发泡600.27220.120.50.2928.730靠背发泡630.070.1310.570.3128.685座椅扶手12910.01610.180.840.929.697地板布15730.02460.2080.880.7914.859玻璃钢渊喷漆冤18640.01670.3020.870.4631.652铝蜂窝3280.1241.7880.910.93-瓦楞板9970.01230.1920.740.5418.45表1车用主要材料的热力学参数图1车用主要材料的单位面积热释放速率渊a冤蒙面布0100200300400时间/s50100150200250300350400渊b冤扶手02004006008001000时间/s50100150200250渊c冤地板布0100200300400500600700时间/s20406080100120140渊d冤喷漆玻璃钢0100200300400500时间/s20406080100120140渊e冤铝蜂窝010203040506050100150200时间/s128第42卷第2期窗的情况下袁车内临界热释放速率约为13MW袁即在不开窗的情况下袁如果热释放速率达到13MW袁则认为车内发生了轰燃现象遥在打开两扇窗户的情况下袁由于开口面积的增加袁车内临界热释放速率约为14.4MW遥3建模及仿真分析采用Pyrosim软件进行建模袁所建模型是CRH2型列车4号车厢袁车体尺寸为院25000mm伊3380mm伊3700mm遥火源的单位热释放速率统一取值为500kW/m2袁火源面积为0.04m2袁故火源功率为20kW遥列车为静止状态遥3.1测试所得输入参数设置本文采用车型为CRH2型高速列车袁车体所用材料的热力学参数和材料单位面积热释放速率使用锥形热仪进行燃烧实验得到袁实验在常州金标轨道交通技术服务有限公司燃烧实验室进行遥材料测试依据标准ISO5660-1要要要2002叶对火反应试验-热释放尧产烟量及质量损失率袁第1部分院热释放速率-锥形量热仪法曳[6]尧ISO1716要要要2002叶建筑制品对火反应试验-燃烧热值的测定曳[7]遥所得数据见表1以及图1遥3.2传感器设置为了得到温度尧热量以及烟雾高度等物理量袁在建模过程中添加相应的传感器袁传感器的设置见表2遥3.3仿真分析3.3.1地板起火燃烧特性分析传感器位置测量物理量温度传感器列车中部z方向设置温度树温度热流量传感器列车两端端墙拉门的位置热量层分区设备列车中部z方向烟雾的最低高度表2传感器设置图2地板着火火源位置及开窗位置窗户开启位置火源窗户开启位置王建帆等：高速列车材料测试及轰燃研究图3地板起火燃烧特性图渊a冤热释放速率曲线2004006008001000140012000100200300400500时间/s不开窗400s开窗1000s开窗渊b冤右端门位置热流量200400600800100012000时间/s3530252015105不开窗400s开窗1000s开窗渊c冤列车中部烟层高度020040060080010001200时间/s1.01.52.02.53.03.54.0不开窗400s开窗1000s开窗渊d冤列车中部天花板附近温度020040060080010001200时间/s20406080100120140160不开窗400s开窗1000s开窗129中国测试2016年2月设置火源位置都在列车右端角落的地板上袁分3种情况进行分析院1冤火灾过程窗户全部关闭曰2冤400s的时候打开靠近火源渊最右端冤的两扇窗户曰3冤1000s的时候打开靠近火源渊最右端冤的两扇窗户遥火源位置及窗口开启位置见图2袁图3为仿真结果遥分析燃烧特性可知袁在整个燃烧过程中袁车内热释放速率都没达到轰燃的临界热释放速率渊13MW冤袁观察Smokeviewresults整个过程也可看到列车没有局部火向大火的转变袁所以列车没有发生轰燃现象遥打开窗户之后袁车内热释放速率曲线变化不大袁内端墙拉门处的热流量在开窗之后瞬间变小袁列车中部烟层最低高度变大袁即烟雾浓度会变小袁天花板温度也有所降低遥3.3.2座椅起火燃烧特性分析设置火源位置都在列车中间的座椅上袁分3种情况进行分析院1冤火灾过程窗户全部关闭曰2冤400s的时候打开靠近火源的两扇窗户曰3冤1000s的时候打开靠近火源的两扇窗户遥火源位置及窗口开启位置见图4袁图5为仿真结果遥分析燃烧特性可知袁在不开窗的情况下袁热释放速率曲线在658s达到临界热释放速率13MW袁即发生轰燃现象曰若在1000s时打开窗户袁车内热释放速率会有短时间的飙升袁达到22MW袁然后慢慢恢复到开窗前的数值曰若在轰燃之前打开窗户渊本文取400s冤袁热释放速率会急速上升袁在546s达到临界值14.4MW袁即轰燃提前发生遥此外袁开窗会导致内端墙拉门处的热流量明显降低袁和地板燃烧的变化一致遥但是袁由于发生轰燃袁打开窗户会导致列车中部烟层最低高度变小袁并且天花板附近温度会升高袁这种变化和地板燃烧变化趋势相反袁这是由于轰燃意味着燃烧由燃料控制向通风控制转变袁打开窗户之后袁外界空气进入车内袁为燃烧提供了氧气袁使燃烧更加剧烈袁烟雾浓度变大袁车内温度升高遥图5座椅起火燃烧特性图渊a冤热释放速率曲线020040060080010001200140016001800时间/s20004000600080001000012000140001600018000200002200024000不开窗400s开窗1000s开窗渊b冤右端门位置热流量02004006008001000120014001600时间/s20040060080010001200不开窗400s开窗1000s开窗渊c冤列车中部烟层高度02004006008001000120014001600时间/s0.00.