引用本文
李行, 周汛, 焦伟冰. 送风环境下地铁车厢火灾探测器响应时间[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2024, 64(6): 975-983.  
LI Xing, ZHOU Xun, JIAO Weibing. Response time of subway car fire detectors under air supply environment[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2024, 64(6): 975-983.  
送风环境下地铁车厢火灾探测器响应时间
李行1, 周汛1, 焦伟冰2    
1. 中车株洲电力机车有限公司 重载快捷大功率电力机车全国重点实验室, 株洲 412001;
2. 中南大学 防灾科学与安全技术研究所, 长沙 410075
收稿日期：2024-01-23
基金项目：中车株洲电力机车有限公司重载快捷大功率电力机车全国重点实验室项目
作者简介：李行(1985-), 女, 高级工程师, E-mail: 378937558@qq.com
摘要：为探究火源位置对送风环境下地铁车厢火灾探测器响应时间的影响, 研究了不同火源位置下车厢内烟气蔓延规律及探测器响应时间。研究结果表明: 回风口处风速较大, 如果火灾发生在回风口附近, 烟气可能会通过回风口进入车厢顶部送风系统, 进而无法及时蔓延进入车厢顶部C形槽中, 从而可能导致探测器响应时间延长。较大的风速会阻碍烟气向车厢顶部的蔓延, 从而导致烟气无法快速进入C形槽内, 致使探测器响应时间延长。因此, 送风口所在截面的位置相比于车厢中心截面是更不利于火灾探测的位置。对该研究建立的车厢模型来说, 在C形槽内布置2个探测器较为合理, 在该研究设定的各火灾场景下, 探测器均可在60 s内探测到烟气。该研究结果可为此类地铁车厢的探测器布置提供参考。
关键词：地铁车厢    探测响应    地铁车厢火灾    烟气蔓延    探测器布置    
Response time of subway car fire detectors under air supply environment
LI Xing1, ZHOU Xun1, JIAO Weibing2    
1. State Key Laboratory of Heavy-Duty and Express High-Power Electric Locomotive, CRRC Zhuzhou Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou 412001, China;
2. Institute of Disaster Prevention Science and Safety Technology, Central South University, Changsha 410075, China
Abstract: [Objective] Currently, many achievements in the study of subway car fires are mainly concentrated on the full development stage of fires. However, in-depth research on early fire detection and improving detection efficiency is limited. Further research is necessary on the response time of fire detectors in subway car fire incidents, considering the influence of the air conditioning system. [Methods] To investigate the influence of fire source location on the response time of fire detectors in subway cars under an air supply environment, this study examines the smoke spread patterns and detector response times in cars with different fire source locations. Using an actual subway car as the basis, a simulation model of the car is created. In this model, air is uniformly supplied downward through the air supply port at the top of the car, while return air flows through ports at the top of the car. The passenger area contains seats, and the top of the car features four return air outlets and four waste exhaust outlets that are symmetrically arranged. The boundary conditions of the car air conditioning system mainly consist of supply air, return air, and waste exhaust boundaries. The total air intake of the whole car is 10 000 m3/h, the total waste displacement is 3 850 m3/h, and the total return air volume is 6 150 m3/h. [Results] In the fire detection experiment, the location of the fire source directly below the air supply port on the top of the car is more affected by airflow and is the most unfavorable detection position for fire detectors compared with the locations between the two air supply ports. The velocity is larger at the return air outlet. If a fire occurs near the return air outlet, smoke may enter the air supply system at the top of the car through the return air outlet. In this case, the fire cannot spread into the C-slot in time, which may prolong the detector response time. Higher wind speeds will prevent the smoke from spreading to the top of the car, thus preventing the smoke from entering the C-slot quickly enough to reach the fire detectors. Therefore, the location of the cross-section where the air supply outlet is located is less favorable for fire detection than the cross-section in the center of the car. [Conclusions] For the subway car modeled in this study, placing two detectors in the C-slot is relatively reasonable because they can detect smoke within 60 s in all the fire scenarios considered. The findings provide insights into detector placement in subway cars, aiding in enhancing fire detection strategies.
Key words: subway car    detector response    subway car fire    smoke propagation    detector placement    

地铁作为一种重要的公共交通工具，给城市生活带来了许多便利[1]。然而，随着城市人口密度的增加以及地铁系统的不断扩建，近年来地铁车厢火灾事件不断增加[2-3]。由于车厢的密闭结构，一旦火灾发生，通风排烟困难[4-5]会导致严重的事故后果，给人们的生命财产带来极大的威胁[6-7]。

目前，地铁火灾研究主要集中在火灾发生机理、烟气产生和传播规律、车厢内部火灾特征等方面[8-11]。Kong等[12]研究了地铁隧道纵向通风下多窗式车厢火灾热力学特征及其演变机制。Zhang等[13]研究了缓慢行驶的着火列车拱顶温度变化特性和隧道内烟气扩散规律。Shi等[14]通过全尺寸实验，定量研究了地铁车厢火灾场景中的温度分布、烟气体积分数、车窗碎裂特性等关键参数。姜学鹏等[15]考虑地铁车窗受热破碎特性，模拟研究了不同车门启闭状态下的地铁车厢内部火灾热力学特性。

然而，地铁车厢火灾研究主要集中在地铁火灾的充分发展阶段，对于如何及早发现地铁车厢火灾等问题的研究还不够深入，尤其在考虑空调系统影响的地铁车厢火灾场景下的车厢火灾探测器响应时间的研究还较为缺乏。本文旨在使用数值模拟方法，对送风环境下地铁车厢内部的气流场分布以及火灾场景下车厢内部烟气分布进行监测和分析，探究不同火源位置对烟气扩散和火灾早期探测的影响，从而为地铁车厢火灾早期探测提供参考。

1 数值模型建立

建立“上送上回”车厢仿真模型，如图 1所示。该模型通过车厢顶部布置的送风口往下均匀送风，并通过车厢顶部布置的回风口进行回风，具体送风口和回风口的布置数量以及位置参考实际车厢的三维模型和送风口布置图进行布置，沿车厢纵向均匀布置152个送风口(红色标记)，如图 2和3所示。车厢内主要设施为座椅，车厢顶部共设置12个回风口(粉色标记)和4个废排口(绿色标记)。车厢送回风系统的边界条件主要包括送风边界、回风边界和废排边界。整个车厢总的进风量为10 000 m3/h，总的废排量为3 850 m3/h，车厢总回风量为6 150 m3/h。

图 1 车厢送回风系统模型
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图 2 参考的实际“上送上回”车厢模型
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图 3 参考的实际车厢顶部送风口布置
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在ICEM中采用四面体网格对车厢模型进行划分，全局最大网格尺寸为0.1 m，并且对风口部分网格进行局部加密以提高计算精度。总网格数量为1 000万个，网格质量可以较好地满足Fluent的计算要求。划分网格后的计算模型如图 4所示。首先对车厢内空调送风情况下气流场特征进行分析，然后在此基础上开展6组不同火源位置的车厢内探测模拟。图 5展示了模拟的不同火源位置，考虑送风口截面、废排口截面和回风口截面，并考虑座椅遮挡等情况，共设置了6种典型的火灾场景。目前该车厢实际探测器的布置位置选取的是回风口所在截面，如图 5所示，即在车厢顶部C形槽中布置2个探测器。

图 4 车厢模型网格划分示意图
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图 5 模拟火源布置位置
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2 结果分析与讨论 2.1 车厢内气流场特征分析

对整个车厢的送风系统进行分析之后选取一些截面，分析其流场分布特征。截面选取包括X轴、Y轴、Z轴(即车厢的长、宽、高)3个方向。沿X轴方向(即车身长度方向)选取的截面包括车厢中心截面(废排口所在截面)X=9.35 m，以及车厢回风口所在截面X=4.62 m。车厢截面位置选取示意图如图 6所示。沿Y轴方向(即车身宽度方向)，由于车身沿宽度方向对称，故取一半进行分析，在Y=0 m(即车厢中心面处)、Y=0.45 m(即送风口处)取2个截面。沿Z轴方向(即车身高度方向)的截面主要取自于人体的活动区(地板位置为Z=0 m处)，分别在Z=0.5 m(即人体的膝盖处)、Z=1.1 m(即座椅上的乘客头部位置和站立乘客的胸部处)、Z=1.7 m(即站立的乘客的头部处)取3个截面。

图 6 车厢截面位置选取示意图
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沿X轴方向选取的典型截面的气流速度(3个方向合速度)分布云图如图 7所示。图 7a给出了车身长度方向X=9.35 m处的废排口截面的速度分布云图，图 7b给出了X=4.62 m处的车厢回风口截面的速度分布云图。由图 7可以看出，整体车厢内部的气流速度较低，不超过1 m/s，在车厢顶部的C形槽内的速度较大，这是由于废排口的回风会通过车厢侧壁的缝隙将车厢内的废气抽出，进而在发生火灾时，也会夹带着抽吸一部分烟气进入C形槽，这有助于布置在C形槽内的探测器发生响应，这也是“上送上回”车厢模型比“上送下回”车厢模型探测器报警时间更短的原因之一。在回风口截面，回风口处风速较大，如果火灾发生在回风口附近，烟气可能会通过回风口进入车厢顶部送风系统，进而无法及时蔓延进入C形槽中，从而可能导致探测器报警时间延长，因此在进行车厢探测器报警实验测试时，相对不利的位置为回风口所在截面，而相对有利(更容易探测烟气)的位置为废排口所在截面。建议在进行实验测试时，应选择回风口所在截面作为一个实验场景。

图 7 X截面车厢气流场分布
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图 8给出了车身宽度方向Y=0 m和车厢送风口截面(Y=0.45 m)的气流速度分布云图。可以看到，车厢内部风速相对均匀，基本不超过1 m/s。在回风口附近的速度场会产生涡旋，这是由于回风口处是往上抽吸的。根据图 8可以看出，车厢送风口所在截面的速度分布呈现出较为明显的与送风口布置位置相关的特征，送风口下方的风速较大。对比图 8a和8b可以看到，送风口所在截面处的风速要略微高于车厢中心截面处的风速。较大的风速会阻碍烟气向车厢顶部的蔓延，从而导致烟气无法快速进入C形槽内，无法快速到达火灾探测器所在的位置。因此，在车厢宽度方向上，送风口所在截面的位置相比于车厢中心截面是更不利于火灾探测的位置。建议在开展火灾探测报警实验测试时，选取送风口所在截面作为一个实验场景。

图 8 Y截面车厢气流场分布
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沿Z轴方向选取的典型截面的气流速度分布云图如图 9所示。可以看到，在车厢高度方向上，高度越高风速越大，并且截面的风速大小与送风口、回风口以及废排口的位置有较强的相关性。车厢回口下方的风速较大，而车厢送风口之间的风速较小，因此在进行火灾探测实验测试时，火源位置最好不要放置在车厢顶部两个送风口之间，而应放置在送风口正下方，这样烟气受到车厢顶部送风作用更大，从而更能反映火灾最不利场景。

图 9 Z截面车厢气流场分布
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2.2 车厢内不同火源位置烟气的蔓延规律分析

本节对模拟的6种火源位置场景下的车厢内的烟气蔓延规律进行分析，每种场景选取5、20、40、46、80、100和120 s共7个特征时刻进行截面的温度和烟气体积分数的分布云图展示(选取Y方向进行展示)。同时，为定量分析C形槽内烟气蔓延情况，在车厢顶部C形槽内沿纵向共布置了37个测点，测点间隔为0.5 m。

位置1火源中心坐标为X=9.35 m, Y=0 m。图 10展示了Y截面的温度和烟气体积分数的分布云图。从温度云图可以看到，随着时间的推移，车厢内的烟气温度越来越高，并且车厢内烟气逐渐往两侧扩散。根据烟气分布云图可以看到，在此种火灾场景下，车厢内烟气基本上对称往两端进行扩散。

图 10 Y=0 m截面的温度和体积分数的分布云图(X=9.35 m)
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位置2火源中心坐标为X=9.35 m, Y=0.46 m。图 11展示了Y截面的温度和烟气体积分数的分布云图。从温度云图可以看到，车厢顶部送风口下方的温度较低，烟气并未沿车厢顶棚均匀扩散。

图 11 Y=0.46 m截面的温度和体积分数的分布云图(X=9.35 m)
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位置3火源中心坐标为X=4.62 m, Y=0 m。图 12展示了Y截面的温度和烟气体积分数的分布云图。从温度云图可以看到，火灾发生之后，火源附近的烟气刚开始维持较好的火羽流形态，在40 s之后，车厢内的烟气在顶部送风的作用下发生沉降，整个车厢截面都充斥着烟气。根据C形槽所在截面的温度分布和烟气体积分数分布可以看出，随着时间的推移，C形槽内进入了少量的烟气。

图 12 Y=0 m截面的温度和体积分数的分布云图(X=4.62 m)
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位置4火源中心坐标为X=4.62 m, Y=0.46 m。图 13展示了X截面的温度和烟气体积分数的分布云图。从温度云图可以看到，火灾发生之后，火源附近的烟气刚开始维持较好的火羽流形态，在20 s之后，车厢内的烟气在顶部送风的作用下发生沉降，整个车厢截面都充斥着烟气。根据C形槽所在截面的温度分布和烟气体积分数分布可以看出，随着时间的推移，C形槽内进入了少量的烟气。

图 13 Y=0.46 m截面的温度和体积分数的分布云图(X=4.62 m)
图选项

位置5火源中心坐标为X=3.27 m, Y=0.7 m。图 14展示了X截面的温度和烟气体积分数的分布云图。从温度云图可以看到，火灾发生之后，火源附近的烟气刚开始维持较好的火羽流形态，在40 s之后，车厢内的烟气在顶部送风的作用下发生沉降，整个车厢截面都充斥着烟气。根据C形槽所在截面的温度分布和烟气体积分数分布可以看出，随着时间的推移，C形槽内进入了少量的烟气。

图 14 Y=0.7 m截面的温度和体积分数的分布云图(X=3.27 m)
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位置6火源中心坐标为X=1.85 m, Y=1.225 m。图 15展示了X截面的温度和烟气体积分数的分布云图。从温度云图可以看到，火灾发生之后，火源附近的烟气刚开始维持较好的火羽流形态，此种火灾场景下火焰会往车厢侧壁倾斜。根据C形槽所在截面的温度分布和烟气体积分数分布可以看出，随着时间的推移，C形槽内进入了少量的烟气。

图 15 Y=1.225 m截面的温度和体积分数的分布云图(X=1.85 m)
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图 16给出了模拟的6种火源位置情况下探测器位置处的烟气温度和体积分数随时间变化情况。可以看到，火源位于位置1和位置2时，探测器处温度低于其他位置，但整体上看，不同火源位置情况下，探测器处烟气的温度升高速率相差不大，因此只能根据烟气体积分数来判断探测器是否响应。由烟气体积分数变化趋势可以看到，当火源位于位置1和位置2时，探测器位置处烟气体积分数较低，不容易引发报警，因此位置1和位置2是相对不利的探测器位置。这是由于在此种车厢结构下，火源位于位置1和位置2时，进入C形槽的一部分烟气会通过车厢顶部的废排出口排出，进而不利于烟气蔓延至探测器处。整体上看，在60 s以内，烟气都蔓延到了探测器所在位置。探测器的响应时间汇总在表 3。

图 16 火灾探测器位置处烟气温度和体积分数变化
图选项

表 3 各位置处探测器响应时间
火源位置 位置1 位置2 位置3 位置4 位置5 位置6
模拟报警时间/s 60 50 20 25 20 20
表选项

图 17分别给出了火灾发生60 s时C形槽内纵向烟气温度和体积分数分布情况。可以看到，在6种火源位置情况下，目前车厢探测器布置(在C形槽内布置2个探测器)位置处都有一定程度的温升，温度变化都不大，因此本研究主要通过烟气体积分数来优化探测器布置位置。从烟气体积分数分布情况可以看到，目前探测器布置位置已经较为合理。但是，由于探测器布置在分区中心位置，因此当火灾发生在位置1时，探测器布置位置的烟气体积分数较低，这是由于一部分烟气进入C形槽之后会通过车厢顶部的废排口排出，因而不利于烟气蔓延至火灾探测器位置。

图 17 C形槽内不同距离处烟气温度和体积分数变化(t=60 s)
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3 结论

1) 回风口处风速较大，如果火灾发生在回风口附近，烟气可能会通过回风口进入车厢顶部送风系统，进而无法及时蔓延进入车厢顶部C形槽中，从而可能导致探测器响应时间延长。

2) 较大的风速会阻碍烟气向车厢顶部的蔓延，从而导致烟气无法快速进入C形槽内，无法快速到达火灾探测器所在的位置。因此，送风口所在截面相比于车厢中心截面是更不利于火灾探测的位置。

3) 目前探测器布置的方式(在C形槽内布置2个探测器)较为合理，在本研究涉及的火灾场景下，探测器均可在60 s内探测到烟气。

本文考虑了不同的火源位置，重点研究了火源位置对车厢内探测器响应时间的影响规律，研究结果可为同类型地铁车厢的火灾探测提供一定的参考。然而，本文建立的车厢模型边界条件是固定的，实际上不同的送风量以及送风口布置对车厢火灾探测器响应时间也有影响，这方面的研究需要在未来进一步开展。

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