王 蕾,夏永旭,姚 毅,韩兴博

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

随着公共交通事业的蓬勃发展，公交车、大客车已成为人们长短途出行的主要选择之一[1-3]，与之而来的是，其发生火灾的频率也呈上升趋势，并且一旦发生火灾，往往会造成极大的人员伤亡和财产损失[4-6]。2011年7月，京珠高速信阳段一辆大客车由于非法携带易燃化工品引发大火，造成41人死亡，6人受伤； 2016年1月，宁夏省银川市一辆公交车由于人为纵火，造成17人死亡，29人受伤；2016年6月，湖南宜凤高速一辆满载56人的旅游巴士碰撞隔离带后起火燃烧，造成35人死亡，13人受伤；2016年7月，台湾省桃园市一辆旅游客车由于机电设备走火，车上26人无一生还。通过上述案例，可知大型客车火灾危害之重大，特别是当其发生在公路隧道这个相对封闭的空间环境中时，其危害更是成倍增加。因此研究大型客车火灾，尤其是公路隧道大型客车火灾的烟雾场和温度场，对逃生策略和防灾预案的制定具有重大意义。

国内外许多机构和学者都对机动车火灾问题进行了研究，并取得了大量成果。其中，以小汽车为火源的研究占绝大多数。TRUCHOT B[7]等通过燃烧汽油、塑料、轮胎、电缆等取自真实小汽车的材料，对汽车火灾的烟气毒性进行了分析；陈贻来[8-9]以国内外大量小汽车全尺寸火灾试验统计数据为依托，重点分析了小汽车火灾的燃烧特性和热释放率的影响因素；孙旋[10]等在小汽车火灾实体燃烧试验的基础上，给出了火灾温度场的变化曲线。

目前，也有学者对大客车、公交车的燃烧进行了研究。毕昆[11-12]等通过两步反应机理的扩展混合分数燃烧模型，研究了公交车火灾的烟气流温度和速度的变化规律，并使用FDS软件对火灾过程进行了重构；康泉胜[13]等采用数值模拟方法探讨了公交车火灾的发展过程和车门开启状态对人员疏散的影响；王策[14]采用FDS数值模拟软件分析了车窗不同开启位置、门窗开启时间和火源位置这3种因素分别对温度、能见度和烟气流动的影响。杨秀娟[15]等通过Building Exodus软件得到了公交车发生火灾时的最佳逃生出口位置；夏永旭[16]等利用FDS软件对大巴车在室外的燃烧过程进行了研究。但是，这些大型客车的燃烧都是在室外开阔环境中进行的，这与其在隧道中燃烧的特性势必存在一定差异。

后续，也有学者研究车辆在隧道内发生火灾时的特性。BARI S[17]以柴油燃烧代替汽车火灾，详细研究了车辆燃烧时的烟雾扩散规律和隧道内的污染水平；曹鏐[18]等采用FDS软件以5 MW恒定火源模拟汽车燃烧，分析了射流风机不同通风模式对隧道火灾的影响；徐湃[19]等分别以油池火、木垛火及废弃车辆为火源在足尺寸沉管隧道模型中进行火灾试验，分析了火灾热释放率的影响因素；李浩[20]等以油盘火为火源代替大型货车火灾，研究了低压细水雾灭火系统在隧道火灾中抑制火势、降低温度的能力。这些研究中均以其他火源代替真实车辆的燃烧。

总结上述研究发现，目前文献多以小型汽车为研究对象，所建立的模型常以其他火源代替复杂的汽车燃烧过程，且对于大型客车在隧道中的燃烧鲜有研究。本文拟通过FDS软件定义大型客车不同部件的燃烧特性，以1∶1的比例进行精细化建模，考虑将大型客车模型置于隧道中，研究其在隧道模型中燃烧时的烟雾场及温度场，并与20 MW平方增长火源进行对比，以期为此类事故的消防减灾提供一定的参考。

1 理论基础

目前，常用的火灾模拟软件有：SES、FLUENT、CFX、PHOENICS、FDS等，其中SES主要用于铁路设计模拟，FLUENT、PHOENICS和CFX侧重于计算流体的运动和分布，多用于隧道通风模拟中，FDS在模拟燃烧过程中的烟气流动和传热过程时有着很强的优势，其准确性经过大量试验验证[21-22]，广泛应用于隧道火灾领域[23-24]，基本控制方程如下：

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

状态方程：

(4)

其中,ρ为气体密度；

根据国内外大量学者研究成果[25-28]及FDS技术指导文件可知，当网格尺寸d为火源特征直径D*的0.06～0.12倍时数值计算结果较为准确，本文火灾区域网格尺寸设为0.075D*，无火区域为0.1D*，火源特征直径D*计算如式(5)所示。

(5)

2 模型建立

2.1 大巴车模型

本文以宇通ZK6127H型大客车为原型进行建模，其主要参数如下：尺寸12 000 mm×2 550 mm×3 955 mm，行李舱容积10 m3，座椅44+1，中开车门，密闭式车窗。由于其构成复杂，可燃烧部件众多，基于技术和计算量两大原因，在建模时作如下简化：忽略车上所有电子设备；在油箱处设置温度传感器，忽略油箱爆炸问题；只考虑各复合物部件中的主要材质。根据上述简化假定，按最不利情况考虑，行李架上摆满了行李箱，所建立的模型如图1所示，其中，各部件模拟材质如下：轮胎为橡胶，座椅为聚酯泡沫，椅罩为布织物，车窗为玻璃，行李架、内饰、驾驶室均为塑料，行李箱为布织物+塑料，窗帘为涤纶，车体为钢材，地板为钢材+橡胶，材质属性见表1。

表1 大型客车主要材料属性表Table 1 Properties of bus materials材料名称密度/kg·m-1 比热容/kJ·(kg·K)-1 导热系数/W·(m·K)-1 燃烧热/kJ·kg-1 橡胶1 2001.700.183.5×104聚酯泡沫601.000.055.0×104布织物1 5401.000.101.7×104玻璃2 5000.791.10—塑料1 5001.500.202.5×104涤纶1 3801.340.102.5×104钢材7 8500.4645.80—

图1 大型客车数值计算模型图Figure 1 Numeric model of bus

模型网格的计算范围为13 m×4 m×5 m，均匀划分为26万个10 cm×10 cm×10 cm的立体网格。模拟环境温度设置为20 ℃，其余参数采用默认值。由于人为纵火的破坏性较大，数值模型中的火灾原因设定为车辆内部的人为纵火，热释放速率设为500 kW/m2。

2.2 公路隧道模型

建立长度为300 m的双车道隧道模型，建筑限界宽度为10.75 m，衬砌内轮廓净宽度为11.4 m，客车位于隧道中部的右侧车道，其标准断面如图2所示。由于FDS难以生成光滑曲线，所以隧道内轮廓的模拟采用了立方体叠加的方式，如图3、图4所示。隧道的衬砌材料采用混凝土，其比热容和导热系数分别设为1.04 kJ/(kg·K)和1.8 W/(m·K)，厚度为0.5 m，且只考虑火源与衬砌间的能量交换，不考虑内部钢筋和围岩的影响作用。

网格计算范围为11.5 m×300 m×7.2 m，拟采用非均匀网格并且按火源处密集、远离火源处稀疏的原则进行划分，网格尺寸见表2，根据上述原则可将隧道划分为552 960个网格。环境温度、湿度和重力加速度等参数与大巴车模型一致。

图2 两车道公路隧道标准断面Figure 2 Standard section of two-lane highway tunnel

图3 FDS中隧道模型立体效果图Figure 3 Stereoscopic effect of tunnel model in FDS

图4 FDS中隧道模型横断面图Figure 4 Cross section of tunnel model in FDS

表2 隧道模型计算区域网格尺寸表Table 2 Mesh size of tunnel model area坐标轴长度/mm网格尺寸/mm网格数量50012X(宽)11 5002001550051 00011050080Y(长)300 000100130500461 000114Z(高)7 20020036

3 数值模拟及分析

文献[29]研究发现，着火点位于客车后部座椅时温度上升最快且易引爆油箱，本文将着火点设于危害最大的后部座椅，采用FDS软件对其在隧道中的燃烧情况进行数值模拟。PIARC和法国CETU给出的大型客车火灾热释放率为15～20 MW，本文特取相同尺寸的20 MW火灾为比较工况，分析不同环境风速下FDS客车模型火源与t2增长火源的差异，具体工况详见表3。

表3 数值模拟火灾工况表Table 3 Simulation of the fire cases工况类型火源环境风速/(m·s-1)一0二FDS大型客车模型1三2四3五0六20 MW火灾1七2八3

3.1 烟雾场

图5和图6分别为工况一和工况五的烟雾扩散图，工况一中火灾发生50 s时开始有浓烟向隧道两端对称蔓延，约200 s时烟雾布满整条隧道；工况五中由于火源直接暴露于隧道中，所以烟雾从在火灾发生后就开始向隧道两端扩散，50 s时隧道中间部分约100 m的长度已布满烟雾，且其扩散速度明显加快，至100 s时烟雾已扩散至洞口。图7为不同工况下烟雾扩散至上游洞口的时间，可知，环境风速越大，烟雾蔓延速度越慢，扩散至上游洞口所需时间越长。此外，20 MW火灾时由于缺少车体结构遮挡，烟雾扩散速度明显过快，以该方法进行模拟时，所得逃生救援数据过于保守，而以FDS大客车模型为火源时更为符合实际情况。

3.2 热释放率

(a) 10 s

(b) 50 s

(c) 100 s

(d) 300 s

(a) 50 s

(b) 100 s

图7 不同工况下烟雾扩散至火源上游洞口所需时间Figure 7 Time of smoke diffusion to tunnel entrance under different conditions

(6)

其中,χ为考虑非完全燃烧的有效燃烧系数；ΔHc为材料的燃烧热。

基于上述原理，FDS软件可在数值模拟的同时自动生成热释放率曲线，图8即为20 WM火灾与FDS燃烧模型的热释放率曲线，由图可知，大型客车火灾热释放率峰值为45 MW，平均热释放率为8.1 MW。将20 MW火灾与FDS客车燃烧模型的热释放率曲线进行比较，差异明显较大，分别对其积分，可得到赫赛尔登模型燃烧总能量为36 GJ，远大于模拟实测值的14.5 GJ，因此若以恒定火源进行火灾研究，得到的结果太过保守，将造成一定的资源浪费。

图8 热释放率FDS模型实测曲线与20MW火灾曲线Figure 8 Heat release rate curves of 20 MW fire and FDS bus model fire

3.3 温度场

3.3.1隧道拱顶最高烟气温度分析

火灾烟气的主要成分为有毒气体，严重危害人体健康，且由于其具有热辐射性，当烟气大量聚集于拱顶时，给隧道结构也带来了一定的威胁。图9为不同工况下火源处拱顶位置的温度变化曲线，由图可以看出，20 MW火灾时，隧道拱顶升温速度极快，100 s即可接近最高温度，约为800 ℃；而以FDS大型客车模型为火源，火灾发生100 s时拱顶温度约为60 ℃，前200 s温度上升趋势较缓，200 s后温度急速增高，约在270 s时上升至顶峰，约为1 040 ℃。这是由于刚开始时，火灾烟气被车体结构所阻隔，随着烟气浓度的持续增大，部分烟气开始从车辆门窗处向上溢散，从而导致拱顶温度不断缓慢上升。将不同工况温度曲线进行比较，可以发现以FDS大型客车模型为火源时，随着纵向风速的增大，烟气被吹向下游，隧道拱顶升温速度也有所减缓；20 MW火灾时随着纵向风速的增大，烟气温度并没有明显变化，其主要原因在于火焰直接接触到了隧道拱顶。由此可见，以精细化建模的大型客车为火源更为合理。

图9 不同工况下火源处隧道拱顶温度变化图Figure 9 Temperature variations of tunnel vault at fire source in different cases

3.3.2隧道横断面内温度分析

图10和图11分别为不同工况下火源处左右两侧人行道的温度变化曲线。由图可知，20 MW火灾时两侧人行道升温较快，但温度峰值仅为80 ℃，明显偏低。而以FDS大型客车模型为火源时，由于车体结构对高温烟气的阻挡，左侧人行道前200 s温度基本保持在25 ℃左右，200 s后开始升温，250 s后温度急速上升，最高可达150 ℃；由于右侧人行道更为接近火源，且高温烟气可从车门处溢散，75 s左右温度就开始上升，最高温度为160 ℃。

图10 不同工况下火源处左侧人行道温度变化图Figure 10 Temperature variations of left sidewalk at fire source in different cases

图11 不同工况下火源处右侧人行道温度变化图Figure 11 Temperature variations of right sidewalkat fire source in different cases

由于火源设于右侧车道，所以右侧人行道温度应高于左侧，现分别将工况二和工况六的两侧人行道温度进行对比，见图12和图13，可以发现以FDS大型客车模型为火源时，人行道右侧温度高于左侧，火源为20 MW火灾时结果却与一般规律相反，不太合理。

图12 工况二中火源处两侧人行道温度对比图Figure 12 Comparison of sidewalk temperature on two sides of fire source in condition 2

图13 工况六中火源处两侧人行道温度对比图Figure 13 Comparison of sidewalk temperature on two sides of fire source in condition 6

通过上述对比分析可知，采用t2增长火源时，由于忽略了材料性能和车体结构的影响，导致对人行道的温度变化估值不准，最高温度估值偏低，而采用精细化的大型客车燃烧模型则更为接近实际工况。

4 结语

a.建立了精细化的大型客车火灾燃烧模型，对客车部件的主要材料和燃烧特性进行了详细定义，为后续汽车火灾模拟研究提供了借鉴经验。

b.20 MW火灾时，最高温度为800 ℃，燃烧释放能量为36 GJ；FDS大型客车燃烧模型为火源时，最高温度为1 040 ℃，燃烧释放能量为14.5 GJ。

c.FDS大型客车燃烧模型能更真实地模拟出隧道火灾场景。平方增长模型对烟气扩散速度估值过快，火灾初期温度场估计偏高，且难以模拟出车门一侧温度较高这一实际情况。

d.有关油箱爆炸和车辆内饰材料的阻燃影响，将另外进行后续研究。