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摘 要：低地板轻轨列车火灾的全尺寸实验是非常困难的，因此利用FDS软件进行火灾场景模拟研究是非常方便和有意义的。本文针对低地板轻轨列车火灾的火源位置、火源功率和火灾增长速率设定了三种典型工况，利用FDS软件进行了三维仿真模拟研究，得到了三种工况下的模拟时序图以及温度、烟颗粒浓度分布参数随时间的变化规律。
关键词：低地板轻轨列车;FDS;数值模拟
0 引言
随着经济和城市的发展，轨道交通已经成为城市居民出行的首选方式。其中，自20世纪80年代以来，低地板轻轨车辆得到蓬勃发展[1]。目前，低地板轻轨车辆技术在我国仍处于起步阶段，还有巨大的发展空间和市场潜力，是解决我国城市交通问题的有效途径。
但是，地铁和轻轨车辆发生火灾时，容易造成大量的人员伤亡，危害性极大[2]。地铁车辆火灾危险性的重要参数包括热释放速率[3]、烟气浓度、CO2浓度等，许多国内外学者都对其进行了研究。但是进行轻轨列车火灾的全尺寸实验是非常困难的[4]，因此很少有关于轻轨列车的火灾公开实验数据。因此获得不同工况、不同火源位置下温度、烟气浓度非常方便和有意义的[5-7]。
本文针对低地板轻轨列车火灾的火源位置、火源功率和火灾增长速率设定了三种典型工况，利用FDS软件进行了三维仿真模拟研究，得到了三种工况下的模拟时序图以及温度、碳烟颗粒浓度分布随时间的变化规律。
1 列车车厢模型建立
本项目基于3节车厢的低地板列车进行FDS的建模，FDS 物理模型如图1所示：
2 火灾场景设置
2.1 火源位置设置
在设计数值模拟部分火灾场景时，综合考虑列车内各部位几何特征与材料特性等因素，选定客室等部位为主要火源位置，以此模拟计算分析温度、碳烟颗粒浓度参数随时间的变化规律。
依据火灾场景的选取原则，考虑车厢可燃物较多、火灾危险性较大的实际情况，并同时考虑设定火灾对烟气产生的不利影响最大，应将火源位置设置于客室中部。
2.2 火源功率及类型设置
由于车厢内可燃物比较繁杂，无法对其内的可燃物及其火灾荷载进行准确测量，因此只能基于一般国际消防安全分析建议值。综合考慮确定：最常见火灾条件下的火源荷载为5 MW，最不利条件下的火源荷载为10 MW。考虑列车内的可燃物类型，本次模拟选取的为快速t2火。
综合考虑低地板列车火灾风险因素，确定以下3种火灾工况作为研究对象。
3 数值模拟结果分析
3.1 模拟过程描述
由各工况的模拟过程中可以看出：
在工况一下，火灾发生15 s时，火灾烟气仍未布满列车顶棚空间。火灾发生30 s时，烟气已布满列车顶棚空间，开始持续累积并进而向相邻位置蔓延。火灾发生45 s～75 s阶段，烟气持续在列车内部空间蔓延。火灾发生90 s时，烟气仍未布满整个列车顶棚空间。对比火灾发生200 s时及模拟终了时刻346.8 s时，发现二者图示现象差别不大，因此推断在200 s之前，火灾烟气已经完成了在列车内部的蔓延、累积沉降，并通过孔隙和其他排烟手段持续向外排烟。
在工况二下，火灾发生15 s时，火灾烟气已布满列车顶棚空间，且开始持续累积并初步向相邻位置扩散。火灾发生30 s时，对比工况一同时刻时序图，其烟气蔓延现象更为显著。火灾发生45 s～60 s阶段，烟气持续在列车内部空间扩散;火灾发生75 s时，烟气已蔓延至整个列车空间，且持续累积。对比火灾发生90 s时及模拟终了时刻103.8 s时，发现二者图示现象差别不大，再与工况一模拟终了时刻图像对比，得出本工况在模拟终了时，火灾烟气在向外排烟的同时，仍未完成在列车内部的蔓延、累积沉降。
在工况三下，火灾发生15 s时，火灾烟气已布满列车顶棚空间，且开始持续累积并初步向相邻位置扩散，对比工况二同时刻时序图可发现，其烟气蔓延速度较之工况二有所加快，但不甚明显。火灾发生30 s时，可对比得出，本工况烟气蔓延速度较之工况二有明显增快。火灾发生60 s时，烟气已蔓延至整个列车空间，且持续累积。对比本工况火灾终了时刻88.8 s时及工况一最终图像，可得出本工况在模拟结束时刻，火灾烟气已基本完成了在列车内部的蔓延、累积沉降，并通过孔隙和其他排烟手段持续向外排烟。
综上所述，在列车上部表面发生火灾时，其内部烟气蔓延速度随着火源功率的增加有较为显著的提升。
3.2 典型工况火灾参数
就三种典型工况火灾数值模拟结果，从模型内设置的九组探测点中，选取较为具有代表性的两组探测点，对温度、碳烟颗粒浓度变化规律分别如图2至图4所示。
由图2中可以看出，在工况一下，当列车上部高温管道表面发生火灾，火源功率为2 WM时，列车顶棚各处的烟气参量有着相似的随时间变化规律，然而其响应时间和具体含量则存在着较大差异。各项参数在不同水平位置处的响应规律较为类似，烟颗粒与温度响应规律则基本一致。
如图2 （c）所示，在模拟时间内，该组烟颗粒浓度测点测得的最大烟颗粒比例约为0.014，即14 000 ppm;如图2 （d）所示，在模拟时间内，该组烟颗粒浓度测点测得的最大烟颗粒比例约为0.037，即37 000 ppm;由此可以看出：该列车内各处的最大烟颗粒浓度分布，受其与火源之间的距离影响较大。
由图3中可以看出，在工况二下，当列车上部高温表面发生火灾，火源功率为5 WM时，列车顶棚各处的烟气参量有着相似的随时间变化规律，然而其响应时间和具体含量则存在着较大差异。各项参数在不同水平位置处的响应规律较为类似，烟颗粒与温度的响应规律则基本一致。
随着高度的增加、测点与火源水平距离的接近，各参数的响应时间随之减少，灵敏度升高。如图3（b）所示，其曲线图大致分为四组（分别为测点134、124、114;测点133、123、113;测点132、122、112;测点131、121、111数据制得的数据图），且各组数值差异较大，这表明由水平位置相近的几组测点测得的烟颗粒浓度参数，受高度影响较大。如图3 （c）所示，在模拟时间内，该组烟颗粒浓度测点测得的最大烟颗粒比例约为0.013，即13 000 ppm;如图3（d）所示，在模拟时间内，该组烟颗粒浓度测点测的最大烟颗粒比例约为0.043，即43 000 ppm;这表明该列车内各处的最大烟颗粒浓度分布，受其与火源之间的距离影响较大。 由图4中可以看出，在工况三下，当列车上部高温表面发生火灾，火源功率为10WM时，列车顶棚各处的烟气参量有着相似的随时间变化规律，然 而其响应时间和具体含量则存在着较大差异。各项参数在不同水平位置处的响应规律较为类似，烟颗粒与温度的响应规律则基本一致。
随着高度的增加、测点与火源水平距离的接近，各参数的响应时间随之减少，灵敏度升高。如图4（b）所示，其曲线图大致分为四组（分别为测点534、524、514;测点533、523、513;测点532、522、512;测点531、521、511数据制得的数据图），且各组数值差异较大，这表明由水平位置相近的几组测点测得的烟气温度变化规律，受高度影响较大。此外，如图4（a）所示，在模拟时间内，该组烟气温度测点测得的烟气最高温度约为65℃;如图4（b）所示，在模拟时间内，该组烟气温度测点测得的烟气最高温度约为525℃;这表明该列车内各处的最高烟气温度分布，受其与火源之间的距离影响较大。
4 结论
本文通过FDS对低地板轻轨列车三种典型工况的火灾情况进行了模拟，得到了三个工况整体时序图，以及温度、碳烟颗粒浓度分布参数随时间的变化规律，可以得出以下结论：
（1）在列车上部表面发生火灾时，其内部烟气蔓延速度随着火源功率的增加有较为显著的提升;
（2）在三种工况下，列车内各处的最高烟气温度、烟颗粒浓度分布，受其与火源之间的距离影响较大;最快对不同水平位置处各参数变化作出响应的测点均为最高点，且各组测点中高度最低处，在模拟时间段内，各项参数均基本维持在初始数值鲜有波动;
（3）隨着火源功率的增大，烟气温度、烟颗粒密度的最大值均有显著升高，且各参数的响应速度、灵敏度也有增大。
参考文献：
[1]王新国，张松江.低地板轻轨车辆的现状及发展[J].电力机车与城轨车辆，2003（7）：47-49.
[2]杨立中，邹兰.地铁火灾研究综述[J].工程建设与设计，2005（11）：8-12.
[3]戚宜欣，杜红兵，周心权，等.运动受限空间内火灾研究的现状与展望[J].中国安全科学学报，2000，10（4）： 6-10.
[4]姚小林.CRH1型动车组列车火灾热释放速率研究[D].西南交通大学，2013.
[5]余明高，陈静，苏冠锋.基于FDS的列车车厢火灾烟气数值模拟[J].西南交通大学学报，2017（4）：826-834.
[6]葛江.基于FDS的车厢火灾烟气流动的数值模拟分析[J].工业安全与环保，2012，38（6）：50-52.
[7]梁亚东.基于FDS的地铁列车车厢火灾探测模拟研究[D].北京建筑大学，2015.
关键词：低地板轻轨列车;FDS;数值模拟
0 引言
随着经济和城市的发展，轨道交通已经成为城市居民出行的首选方式。其中，自20世纪80年代以来，低地板轻轨车辆得到蓬勃发展[1]。目前，低地板轻轨车辆技术在我国仍处于起步阶段，还有巨大的发展空间和市场潜力，是解决我国城市交通问题的有效途径。
但是，地铁和轻轨车辆发生火灾时，容易造成大量的人员伤亡，危害性极大[2]。地铁车辆火灾危险性的重要参数包括热释放速率[3]、烟气浓度、CO2浓度等，许多国内外学者都对其进行了研究。但是进行轻轨列车火灾的全尺寸实验是非常困难的[4]，因此很少有关于轻轨列车的火灾公开实验数据。因此获得不同工况、不同火源位置下温度、烟气浓度非常方便和有意义的[5-7]。
本文针对低地板轻轨列车火灾的火源位置、火源功率和火灾增长速率设定了三种典型工况，利用FDS软件进行了三维仿真模拟研究，得到了三种工况下的模拟时序图以及温度、碳烟颗粒浓度分布随时间的变化规律。
1 列车车厢模型建立
本项目基于3节车厢的低地板列车进行FDS的建模，FDS 物理模型如图1所示：
2 火灾场景设置
2.1 火源位置设置
在设计数值模拟部分火灾场景时，综合考虑列车内各部位几何特征与材料特性等因素，选定客室等部位为主要火源位置，以此模拟计算分析温度、碳烟颗粒浓度参数随时间的变化规律。
依据火灾场景的选取原则，考虑车厢可燃物较多、火灾危险性较大的实际情况，并同时考虑设定火灾对烟气产生的不利影响最大，应将火源位置设置于客室中部。
2.2 火源功率及类型设置
由于车厢内可燃物比较繁杂，无法对其内的可燃物及其火灾荷载进行准确测量，因此只能基于一般国际消防安全分析建议值。综合考慮确定：最常见火灾条件下的火源荷载为5 MW，最不利条件下的火源荷载为10 MW。考虑列车内的可燃物类型，本次模拟选取的为快速t2火。
综合考虑低地板列车火灾风险因素，确定以下3种火灾工况作为研究对象。
3 数值模拟结果分析
3.1 模拟过程描述
由各工况的模拟过程中可以看出：
在工况一下，火灾发生15 s时，火灾烟气仍未布满列车顶棚空间。火灾发生30 s时，烟气已布满列车顶棚空间，开始持续累积并进而向相邻位置蔓延。火灾发生45 s～75 s阶段，烟气持续在列车内部空间蔓延。火灾发生90 s时，烟气仍未布满整个列车顶棚空间。对比火灾发生200 s时及模拟终了时刻346.8 s时，发现二者图示现象差别不大，因此推断在200 s之前，火灾烟气已经完成了在列车内部的蔓延、累积沉降，并通过孔隙和其他排烟手段持续向外排烟。
在工况二下，火灾发生15 s时，火灾烟气已布满列车顶棚空间，且开始持续累积并初步向相邻位置扩散。火灾发生30 s时，对比工况一同时刻时序图，其烟气蔓延现象更为显著。火灾发生45 s～60 s阶段，烟气持续在列车内部空间扩散;火灾发生75 s时，烟气已蔓延至整个列车空间，且持续累积。对比火灾发生90 s时及模拟终了时刻103.8 s时，发现二者图示现象差别不大，再与工况一模拟终了时刻图像对比，得出本工况在模拟终了时，火灾烟气在向外排烟的同时，仍未完成在列车内部的蔓延、累积沉降。
在工况三下，火灾发生15 s时，火灾烟气已布满列车顶棚空间，且开始持续累积并初步向相邻位置扩散，对比工况二同时刻时序图可发现，其烟气蔓延速度较之工况二有所加快，但不甚明显。火灾发生30 s时，可对比得出，本工况烟气蔓延速度较之工况二有明显增快。火灾发生60 s时，烟气已蔓延至整个列车空间，且持续累积。对比本工况火灾终了时刻88.8 s时及工况一最终图像，可得出本工况在模拟结束时刻，火灾烟气已基本完成了在列车内部的蔓延、累积沉降，并通过孔隙和其他排烟手段持续向外排烟。
综上所述，在列车上部表面发生火灾时，其内部烟气蔓延速度随着火源功率的增加有较为显著的提升。
3.2 典型工况火灾参数
就三种典型工况火灾数值模拟结果，从模型内设置的九组探测点中，选取较为具有代表性的两组探测点，对温度、碳烟颗粒浓度变化规律分别如图2至图4所示。
由图2中可以看出，在工况一下，当列车上部高温管道表面发生火灾，火源功率为2 WM时，列车顶棚各处的烟气参量有着相似的随时间变化规律，然而其响应时间和具体含量则存在着较大差异。各项参数在不同水平位置处的响应规律较为类似，烟颗粒与温度响应规律则基本一致。
如图2 （c）所示，在模拟时间内，该组烟颗粒浓度测点测得的最大烟颗粒比例约为0.014，即14 000 ppm;如图2 （d）所示，在模拟时间内，该组烟颗粒浓度测点测得的最大烟颗粒比例约为0.037，即37 000 ppm;由此可以看出：该列车内各处的最大烟颗粒浓度分布，受其与火源之间的距离影响较大。
由图3中可以看出，在工况二下，当列车上部高温表面发生火灾，火源功率为5 WM时，列车顶棚各处的烟气参量有着相似的随时间变化规律，然而其响应时间和具体含量则存在着较大差异。各项参数在不同水平位置处的响应规律较为类似，烟颗粒与温度的响应规律则基本一致。
随着高度的增加、测点与火源水平距离的接近，各参数的响应时间随之减少，灵敏度升高。如图3（b）所示，其曲线图大致分为四组（分别为测点134、124、114;测点133、123、113;测点132、122、112;测点131、121、111数据制得的数据图），且各组数值差异较大，这表明由水平位置相近的几组测点测得的烟颗粒浓度参数，受高度影响较大。如图3 （c）所示，在模拟时间内，该组烟颗粒浓度测点测得的最大烟颗粒比例约为0.013，即13 000 ppm;如图3（d）所示，在模拟时间内，该组烟颗粒浓度测点测的最大烟颗粒比例约为0.043，即43 000 ppm;这表明该列车内各处的最大烟颗粒浓度分布，受其与火源之间的距离影响较大。 由图4中可以看出，在工况三下，当列车上部高温表面发生火灾，火源功率为10WM时，列车顶棚各处的烟气参量有着相似的随时间变化规律，然 而其响应时间和具体含量则存在着较大差异。各项参数在不同水平位置处的响应规律较为类似，烟颗粒与温度的响应规律则基本一致。
随着高度的增加、测点与火源水平距离的接近，各参数的响应时间随之减少，灵敏度升高。如图4（b）所示，其曲线图大致分为四组（分别为测点534、524、514;测点533、523、513;测点532、522、512;测点531、521、511数据制得的数据图），且各组数值差异较大，这表明由水平位置相近的几组测点测得的烟气温度变化规律，受高度影响较大。此外，如图4（a）所示，在模拟时间内，该组烟气温度测点测得的烟气最高温度约为65℃;如图4（b）所示，在模拟时间内，该组烟气温度测点测得的烟气最高温度约为525℃;这表明该列车内各处的最高烟气温度分布，受其与火源之间的距离影响较大。
4 结论
本文通过FDS对低地板轻轨列车三种典型工况的火灾情况进行了模拟，得到了三个工况整体时序图，以及温度、碳烟颗粒浓度分布参数随时间的变化规律，可以得出以下结论：
（1）在列车上部表面发生火灾时，其内部烟气蔓延速度随着火源功率的增加有较为显著的提升;
（2）在三种工况下，列车内各处的最高烟气温度、烟颗粒浓度分布，受其与火源之间的距离影响较大;最快对不同水平位置处各参数变化作出响应的测点均为最高点，且各组测点中高度最低处，在模拟时间段内，各项参数均基本维持在初始数值鲜有波动;
（3）隨着火源功率的增大，烟气温度、烟颗粒密度的最大值均有显著升高，且各参数的响应速度、灵敏度也有增大。
参考文献：
[1]王新国，张松江.低地板轻轨车辆的现状及发展[J].电力机车与城轨车辆，2003（7）：47-49.
[2]杨立中，邹兰.地铁火灾研究综述[J].工程建设与设计，2005（11）：8-12.
[3]戚宜欣，杜红兵，周心权，等.运动受限空间内火灾研究的现状与展望[J].中国安全科学学报，2000，10（4）： 6-10.
[4]姚小林.CRH1型动车组列车火灾热释放速率研究[D].西南交通大学，2013.
[5]余明高，陈静，苏冠锋.基于FDS的列车车厢火灾烟气数值模拟[J].西南交通大学学报，2017（4）：826-834.
[6]葛江.基于FDS的车厢火灾烟气流动的数值模拟分析[J].工业安全与环保，2012，38（6）：50-52.
[7]梁亚东.基于FDS的地铁列车车厢火灾探测模拟研究[D].北京建筑大学，2015.