摘　要：针对地铁电客车火灾扑救薄弱形势，提出将自动喷水灭火系统进行早期火灾自救，水幕系统用于挡烟阻火，同时开启列车及隧道通风排烟的混式系统设计。结合车辆概况，建立微分能量衡算方程，应用“逐点法”对系统进行水力计算，建立数学模型。以电客车头部着火为例，研究系统开启不同时间温度场的变化，为系统参数合理匹配提供理论支持。使用ＣＯＭＳＯＬ　Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ软件对建立的模型进行分析模拟。理论及实例应用表明，通过材料、约束设定及网格划分，该模型在电客车火灾模拟中具有较好的适用性。

关键词：自动喷水；性能化设计；边界设定；数值模拟

 

      地下铁道以其独有的有轨交通系统，具有不受地面道路情况的影响，能够按照设计能力正常运行，快速、安全、舒适、准点地运送乘客的优势。地铁效率高、污染少、运量大，具有良好的社会效益。世界上许多国家都确立了优先发展轨道交通的方针，投入了大量的资金和科学技术力量。地铁在被各国誉为城市公共运输“绿色交通”的同时，其自身薄弱的消防自救能力也逐渐暴露出来。根据火灾发生的场所，地铁火灾可以分为区间火灾和车站火灾，区间火灾又可分为隧道火灾和电客车起火。其中电客车一旦起火，救援难度最大，旅客伤亡最严重，造成的社会负面影响也最为恶劣。

      随着“预防为主，防消结合”方针的不断深入以及建筑设备 自动化系统 （Ｂｕｉｄｉｎｇ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ，简 称ＢＡＳ）的投入使用，地铁车站及隧道消防已形成由火灾报警系统、自动喷水系统、消火栓系统、气体灭火系统、通风排烟系统、ＯＣＣ监控系统构成的有序联动网络，形成了强大的运营保障体系。唯有电客车防灭火体系受到人们长期以来对建筑消防固有观念的局限，其性能化防火设计迟迟无法实现，至今还依靠紧急呼叫按钮、车载灭火器、逃生门３种有限的工具实现电客车初起火灾的自救。因此，对电客车进行合理的性能化防火设计并借助计算机辅助模拟灭火过程对于解决实际问题具有指导意义。

 

      自动喷水灭火系统是指由洒水喷头、报警阀组、水流报警装置（水流指示器或压力开关）等组件以及管道、供水设施组成，并能在发生火灾时喷水的自动灭火系统。目前该系统主要用在民用建筑和工业厂房及仓库，国内外也有相关学者提出将此系统安装在隧道中。根据 ＧＢ５００８４－２００１（２００５年版）《自动喷水灭火系统设计规范》规定：自动喷水灭火系统的设计，应密切结合保护对象的功能和火灾特点，积极采用新技术、新设备、新材料，做到安全可靠、技术先进、经济合理。结合我国先后发布的ＧＢ５００８４－２００１（２００５年版）《自动喷水灭火系统设计规范》、ＧＢ５０２６１－２００５《自动喷水灭火系统施工与验收规范》、ＧＢ５１３５－８５《自动喷水灭火系统：洒水喷头的性能要求和试验方法》等规范，提出一种电客车自动喷水混式系统设计。

      电客车由两个单元电动车组编成，每个单元车采用２动１拖的编组，其型式为：－Ａ＊Ｂ＊Ｃ＝Ｃ＊Ｂ＊Ａ－，见图１。其中：“Ａ”车为带有一个司机室的拖车，“Ｂ”车为装有受电弓的动车，“Ｃ”车为无受电弓的动车，“－”为自动车钩，“＊”为半永久型牵引杆，“＝”为半自动车钩。电客车正线线路最高运行速度为８０ｋｍ／ｈ。Ａ 车长度２４．４ｍ，Ｂ、Ｃ车长度２２．８ｍ，车辆最大宽度３ｍ，高度３．８５ｍ。列车总长度为１４０ｍ。每辆车有１０对客室门，门开宽度１．４ｍ。驾驶室两侧设有驾驶室侧门，后端设有通往客室的通道门。客室座位纵向布置，Ａ 车５４座，Ｂ、Ｃ 车 ５８座，满座载荷３４０人，定员载荷（６人／ｍ^２）１　８６０人，超员载荷（９人／ｍ^２）２４６０人。

      电客车长年运行于隧道中，且自身具有空调通风功能，根据ＧＢ５００８４－２００１（２００５年版），环境温度不低于４℃且不高于７０℃的场所应采用湿式系统，因此采用准工作状态时管道内充满用于启动系统的有压水的闭式系统。对于两车之间的贯通道，由于加装波纹折棚、连接框及渡板等不燃构件，考虑挡烟阻火功能要求，设置密集喷洒形成水墙或水帘的水幕系统，具体由水幕喷头、雨淋报警阀组、水流指示器等部件组成。湿式系统、水幕系统串联接入同一节车厢形成混式系统并与其配水干管连接。驾驶室由于电气设备众多且火灾载荷较小，配备便携式干粉灭火器。

      湿式系统喷水强度设置为６Ｌ／（ｍｉｎ·ｍ^２），呈直线型中央单排布置，每节车厢设置６个喷头，中央干管左右对称分布，前后间距３ｍ，左右距车厢壁１．５ｍ，每只喷头最大保护面积１２．５ｍ^２。选用闭式ＺＳＴＸ－１５Ｂ６８°吊顶型玻璃球洒水喷头，额定动作温度６８ ℃，最高环境温度３８℃，公称直径１５ｍｍ，流量特性系数Ｋ_ｐ＝８０，喷头间距按车底地面不留漏喷空白点。４动２拖每节车作为单独灭火单元设立独立报警阀组并以火灾信号作为启动控制条件。防火分隔水幕系统喷水点高度３．８ｍ，喷水强度２Ｌ／（ｓ·ｍ），选用开式洒水喷头，喷头工作压力０．１ ＭＰａ。混式系统设水流指示器、压力开关及末端试水装置。消防水箱设置在转向架与主风缸之间。

      采用“逐点法”，即从系统设计最不利点处的喷头开始计算，到设计作用面积所包括的最后一个喷头为止，依次沿途计算各喷头处的压力、流量和管段累计流量、沿程及局部水头损失值。系统的设计流量应按最不利点处作用面积内喷头同时喷水的总流量确定。当同时设有自动喷水灭火系统和水幕系统时，系统的设计流量应按同时启用的自动喷水灭火系统和水幕系统的用水量计算，并取二者之和中的最大值确定。采用当量长度法计算管道局部水头损失。第一个喷头流量ｑ_１＝１．２５Ｌ／Ｓ，压力Ｐ_１＝０．０８７　９ＭＰａ；第二个喷头流量ｑ_２＝１．４６Ｌ／Ｓ，压力Ｐ_２＝０．１２０　３ＭＰａ；第三个喷头流量ｑ_３＝１．５３Ｌ／Ｓ，压力Ｐ_３＝０．１３１７ＭＰａ。

 

      对于建立的自动喷水混式系统模型，除个别理想条件或者十分简单的情况下，一般无法得到解析解。数值模拟使 用 ＣＯＭＳＯＬ　Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ　３．５ 软 件。ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ是一款数值仿真软件，由瑞典的ＣＯＭＳＯＬ公司开发，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程，以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真，在数值仿真领域里得到广泛的应用。使用 ＣＯＭＳＯＬ　Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ　３．５软件对车厢头部着火且火灾载荷２ ＭＷ 时自动喷水系统开启３０、６０、９０ｓ时分别进行温度场模拟。将偏微分方程和计算得出的各参量导入模块，通过以下五个主要步骤进行参数设置和分析模拟。

      （１）绘制几何图形。ＣＯＭＳＯＬ　Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ软件本身提供了比较易于使用和相对完整的 ＣＡＤ工具，用于创建一维、二维和三维几何实体模型。软件的模型导入和修补功能可以支持 ＤＸＦ格式和ＩＧＥＳ格式的文件，甚至可以导入二维的ＪＰＧ、ＴＩＦ和ＢＭＰ文件并把它们转化为ＣＯＭＳＯＬ　Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ的几何模型。

      选择模型导航视窗中对流与传热模型，空间维度为２Ｄ。在绘图面板中绘制无受电弓的动车“Ｃ”车，见图２所示。

      （２）元素、截面及材料定义。要对几何模型进行物理设置，可以打开Ｐｈｙｓｉｃｓ，从而对子域（Ｓｕｂｄｏｍａｉｎ）、边界（Ｂｏｕｎｄａｒｙ）、边（Ｅｄ ｇｅｓ）和特定点（Ｐｏｉｎｔｓ）的控制方程、边界和界面条件、材料参数和初始条件进行设置。为了定义模型的物理参数，需要在前处理过程中设置各类变量，其中包括物理常数的设定。物理参数可以是模型变量、空间坐标和时间的函数。定义管壁材料为镀锌钢管，循环液为水，使用ＳＩ单位制。

      （３）分格。软件自带的网格生成器可以是自动划分三角形和四面体的网格单元，还具有自适应网格划分功能。主菜单上 Ｍｅｓｈ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ可以对网格划分进行设置，通过控制网格最大单元大小和最大单元尺寸缩放系数等对不同区域可以生成不同密度的网格。最大单元尺寸比例调整系数设置为１，单元增长率设置为１．５，网格曲率系数设置为０．６，网格截止曲率设置为０．０３，选取三角形网格划分方法。

      （４）载荷及约束。使用实例分析所得参数，将热通量（单位面积传热速率）、边界温度、对流传热系数、导热系数、循环液主体流速输入模型约束设定。

      （５）求解及可视化后处理器。求解过程几乎是完全自动的，基本不需要用户的参与。对于特殊问题，可通过求解管理器选择特定的求解程序和其他特定选择。软件提供了很多后处理和可视化工具，能够绘制曲面、切片、等值面、等高线、流线、迹线及主应力和主应变等。

      模拟结果见图３～图５所示。