杨康 朱杰＊

(1、四川师范大学工学院，四川成都 610101 2、四川省公共火灾防治技术重点实验室，四川成都 610101)

随着我国民航事业的高速发展，飞机已成为人们中远距离出行首选的交通工具。客舱内部空间狭长，可燃物载量大、分布广，火灾发生时，在极短时间内就能释放大量的燃烧热并形成浓密的烟雾，严重威胁到乘员安全。研究飞机内部不同位置火灾场景下烟气的蔓延、流动特征和温度场的分布规律，对于民航客机火灾防治有着重要指导意义。

目前，绝大多数民航客机客舱内部未配备专用防排烟系统，火灾发生后烟气蔓延迅速；尤其是飞机客舱作为狭长密闭空间，不同位置起火后的烟气蔓延规律也呈现差异，目前关于飞机客舱火灾烟气已有相关研究。1960 年，Marcy[1]等第一次利用DC-7 飞机机身进行火灾实验，检验客舱材料的燃烧特性。1996年，Sarkos[2]等研究了飞机机身各类材料烧穿实验，并总结相关实验数据。2012 年，张青松[3]使用FDS 软件模拟了多款飞机发生轰然的时间并讨论了通风对飞机客舱火灾烟气影响。2017 年，林家泉[4]首次模拟了空调通风状态下A320 客舱内部火灾发生时CO 扩散规律，并得出了风速与火灾阴燃产生CO 的扩散范围的相关性结论。2020 年，薛杨武[5]首次研究了热辐射强度对A320 客机货舱侧壁板燃烧特性的影响，为此后试验参数提供理论依据支撑。但国内外关于飞机客舱不同起火点烟气扩散规律相关研究相对较少。

研究表明，飞机起降过程发生事故的占总事故数的63%。本文以A320 客机为研究对象，利用FDS 数值模拟，在标准大气压情况下，研究不同火源位置下发生火灾后，客舱内部温度场、烟气场变化情况，探究不同火源位置对于客舱内温度场变化规律和烟气蔓延情况，为客机火灾防治和客舱人员疏散提供参考依据。

1 A320 飞机客舱建模及火灾场景

1.1 A320 飞机客舱仿真构建

本文以A320 飞机客舱作为研究对象，其内部客舱尺寸为27.5m×3.7m×2.2m(长×宽×高）；包括26 排经济舱座椅（每排6 座）和2 排头等舱座椅（每排4 座），共计164 座，客舱平面图见1a、FDS 模型图见图1b；每排有5 个进风口、2 个出风口，分别位于客舱壁上方和客舱两侧壁底部[4]。

图1

1.2 测点及切片布置

测点布置如图2 所示，测点包括热电偶、烟雾探测器和烟雾高度探测器。在过道位置（Y=1.85m）人眼口鼻活动范围内（Z=1.6m）纵向每隔2m 布置测点；在过道位置（Y=1.85m）弯腰逃生高度（Z=1.4m）每隔2m 布置测点；在顶棚处（Z=2.1m）纵向每隔2m布置测点；在过道中间位置（Y=1.85m）布置温度、能见度切片。

图2 测点及切片布置

1.3 火源功率设定、边界条件及网格划分

参考国内外相关文献，火灾由初期增长至轰然阶段，热释放速率大体以t2指数规律增长，Heskestad[10]指出可用式（1）表示：

Q=αt2（1）

保守选取火源最大热释放速率为1.2MW，设置为t2快速火[7-9]，在210 秒时达到最大，此后火源功率保持不变。

飞机正常起降状态下，设定客舱内部初始温度293.1K，环境压力101.325kPa，舱内空调风速恒定2m/s，出风口位于行李架下方模拟计算时间350s。经计算，本文确立划分0.1m×0.1m×0.1m 的网格尺寸,总计330000 网格。

1.4 火灾场景设置

根据结构客舱内部特征，综合考虑火灾发生的各种情况，选定4 个火源位置，分别位于头等舱座椅F-1=（2，0）、经济舱客舱前部座椅F-2=（6.5，0）、中部座椅F-3=（13.5，0）和后部座椅F-4=（23.4，0）四个火灾场景，如表1。

表1 不同火源位置场景设置

2 仿真结果分析

2.1 火源位于头等舱模拟结果

火源位于头等舱时，由火源中心位置沿顶棚前后双向蔓延，烟羽流卷吸周围空气，烟气迅速充满头等舱，0～100s 内，由于连接门的阻挡，烟气被主要集中在头等舱顶棚，50s 时，头等舱烟气层高度不足1.2m，100s～350s 烟气越过连接门，向客舱后部蔓延逐渐充满全部客舱，在模拟实验设定时间350s 内，整体烟气高度不足1.2m。内部温度场、烟密度、烟流层高度变化见图3a、图3b、图3c。

图3 火源位于头等舱模拟结果

当起火点位于头等舱，由于头等舱空间狭小，热辐射增强，温度增长速率较快，210s 时舱内所有安全出口达到人员疏散安全临界值[10]（65°C），275s 时头等舱天花板温度达到600°C；头等舱单位面积可燃物相较经济舱更少，热释放速率较小，热释放速率变化曲线上升趋势对比其他火源位置增长速率较缓，最大热释放速率为1.04MW。

2.2 火源位于客舱前部模拟结果

火源位于客舱前部时，烟气首先由火源中心位置沿客舱顶棚向后蔓延，100s 后，经济舱内烟气达到一定厚度，烟气越过连接门向前部头等舱扩散。210s 客舱内部所有位置烟气层高度均不足1.2m，相较于其他火源位置提前50s～140s。

起火点位于客舱前部时，经济舱内可燃物较多，舱内温度场变化趋势较为明显，增长速率较快。舱内所有安全出口达到人员疏散安全临界值时间为190s，相较其他位置提前20s～60s；330s 达到峰值温度780°C；最大热释放速率为2.25MW。客舱内部温度场、烟密度、烟流层高度和热释放速率变化见图4。

图4 火源位于客舱前部模拟结果

2.3 火源位于客舱中部模拟结果

起火点位于位于客舱中部，不同距离温度、烟气密度变化和热释放速率变化如图5。由于A320 客舱内部结构并不完全对称，使客舱内前、后部温度场、烟气密度略有差异。

图5 火源位于客舱中部模拟结果

当火灾处于初起阶段，烟气由客舱中部位置沿顶棚前后双向蔓延，由于客舱后端无结构阻挡，气体对流较强；客舱前段的连接门削弱了热对流，导致客舱后部温度和烟气密度高于客舱前部温度和烟气密度，越靠近火源中心，这一趋势越明显；随着火灾进一步发展，火势变大，前后部差异逐渐缩小。320s 时顶棚温度达到600°C，最大热释放速率为2.03MW。

2.4 火源位于客舱尾部模拟结果

火源位于客舱尾部时，烟气沿顶棚向前蔓延，经济舱内部无结构阻挡，烟气蔓延较为迅速，烟流层达到一定厚度后，向头等舱扩散。150s 经济舱内烟流层高度不足1.2m；270s 客舱内部所有位置烟气层高度均不足1.2m。客舱内部温度场、烟密度、烟流层高度变化见图6a、6b、6c。

当起火点位于客舱尾部，舱内所有安全出口达到人员疏散安全临界值时间为240s，330s 时，达到峰值温度730°C，最大热释放速率1.88MW，如图6a。

2.5 实验结果分析

由模拟实验得出，飞机客舱内部起火后，火羽流撞击顶部，烟气迅速上升至顶棚，在热浮力的驱动下，由火源中心位置沿顶棚前后双向蔓延，形成顶部烟气层，由于前端门阻挡，烟气整体逐渐向下填充，达到一定厚度，直至充满整个客舱。

A320 客机双侧共计8 个安全出口，紧急情况下均可作为逃生出口使用，不同起火点对应的安全疏散临界时间各条件如表2。由实验数据得出，当起火点位于客舱前部时，舱内所有安全出口温度、烟气层高度和能见度达到临界值时间最短，危险来临更快。

表2 不同火源位安全疏散条件临界时间

3 结论

本文建立A320 飞机客舱仿真模型，模拟起、降状态下飞机客舱内不同位置发生火灾后的情况，得到客舱内温度场、烟气浓度场、热释放速率等数据，分析烟气蔓延规律得处以下结论。

3.1 通过模拟发现，当火源位于客舱中、前部时，其热释放速率较大、人员安全疏散时间最短、烟气流层变化最快，火灾发生后相较于危险性更大，应重点强化该区域的消防安全防治。

3.2 由于飞机内部自身结构，飞机前、后部的火灾并不是对称发展。火灾发生前期，前部连接门阻隔了部分烟气，客舱前段气体对流弱于后段，导致客舱后部温度略高于前部温度，随着火灾发展，这一差距会逐渐缩小。

3.3 由于飞机客舱内部未配备专用防排烟系统，火灾产生的大量烟气向上流动，热量不易排出，热量大量积累使受限空间内的热系统失衡，短时间内导致空间内温度骤升，较其他受限空间更早发生轰燃。