飛機(jī)客艙不同火源位置火災(zāi)數(shù)值模擬及危險(xiǎn)性分析

楊康 朱杰＊

(1、四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川成都 610101 2、四川省公共火災(zāi)防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610101)

隨著我國(guó)民航事業(yè)的高速發(fā)展，飛機(jī)已成為人們中遠(yuǎn)距離出行首選的交通工具?？团搩?nèi)部空間狹長(zhǎng)，可燃物載量大、分布廣，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，在極短時(shí)間內(nèi)就能釋放大量的燃燒熱并形成濃密的煙霧，嚴(yán)重威脅到乘員安全。研究飛機(jī)內(nèi)部不同位置火災(zāi)場(chǎng)景下煙氣的蔓延、流動(dòng)特征和溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，對(duì)于民航客機(jī)火災(zāi)防治有著重要指導(dǎo)意義。

目前，絕大多數(shù)民航客機(jī)客艙內(nèi)部未配備專(zhuān)用防排煙系統(tǒng)，火災(zāi)發(fā)生后煙氣蔓延迅速；尤其是飛機(jī)客艙作為狹長(zhǎng)密閉空間，不同位置起火后的煙氣蔓延規(guī)律也呈現(xiàn)差異，目前關(guān)于飛機(jī)客艙火災(zāi)煙氣已有相關(guān)研究。1960 年，Marcy[1]等第一次利用DC-7 飛機(jī)機(jī)身進(jìn)行火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)客艙材料的燃燒特性。1996年，Sarkos[2]等研究了飛機(jī)機(jī)身各類(lèi)材料燒穿實(shí)驗(yàn)，并總結(jié)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2012 年，張青松[3]使用FDS 軟件模擬了多款飛機(jī)發(fā)生轟然的時(shí)間并討論了通風(fēng)對(duì)飛機(jī)客艙火災(zāi)煙氣影響。2017 年，林家泉[4]首次模擬了空調(diào)通風(fēng)狀態(tài)下A320 客艙內(nèi)部火災(zāi)發(fā)生時(shí)CO 擴(kuò)散規(guī)律，并得出了風(fēng)速與火災(zāi)陰燃產(chǎn)生CO 的擴(kuò)散范圍的相關(guān)性結(jié)論。2020 年，薛楊武[5]首次研究了熱輻射強(qiáng)度對(duì)A320 客機(jī)貨艙側(cè)壁板燃燒特性的影響，為此后試驗(yàn)參數(shù)提供理論依據(jù)支撐。但國(guó)內(nèi)外關(guān)于飛機(jī)客艙不同起火點(diǎn)煙氣擴(kuò)散規(guī)律相關(guān)研究相對(duì)較少。

研究表明，飛機(jī)起降過(guò)程發(fā)生事故的占總事故數(shù)的63%。本文以A320 客機(jī)為研究對(duì)象，利用FDS 數(shù)值模擬，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓情況下，研究不同火源位置下發(fā)生火災(zāi)后，客艙內(nèi)部溫度場(chǎng)、煙氣場(chǎng)變化情況，探究不同火源位置對(duì)于客艙內(nèi)溫度場(chǎng)變化規(guī)律和煙氣蔓延情況，為客機(jī)火災(zāi)防治和客艙人員疏散提供參考依據(jù)。

1 A320 飛機(jī)客艙建模及火災(zāi)場(chǎng)景

1.1 A320 飛機(jī)客艙仿真構(gòu)建

本文以A320 飛機(jī)客艙作為研究對(duì)象，其內(nèi)部客艙尺寸為27.5m×3.7m×2.2m(長(zhǎng)×寬×高）；包括26 排經(jīng)濟(jì)艙座椅（每排6 座）和2 排頭等艙座椅（每排4 座），共計(jì)164 座，客艙平面圖見(jiàn)1a、FDS 模型圖見(jiàn)圖1b；每排有5 個(gè)進(jìn)風(fēng)口、2 個(gè)出風(fēng)口，分別位于客艙壁上方和客艙兩側(cè)壁底部[4]。

圖1

1.2 測(cè)點(diǎn)及切片布置

測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示，測(cè)點(diǎn)包括熱電偶、煙霧探測(cè)器和煙霧高度探測(cè)器。在過(guò)道位置（Y=1.85m）人眼口鼻活動(dòng)范圍內(nèi)（Z=1.6m）縱向每隔2m 布置測(cè)點(diǎn)；在過(guò)道位置（Y=1.85m）彎腰逃生高度（Z=1.4m）每隔2m 布置測(cè)點(diǎn)；在頂棚處（Z=2.1m）縱向每隔2m布置測(cè)點(diǎn)；在過(guò)道中間位置（Y=1.85m）布置溫度、能見(jiàn)度切片。

圖2 測(cè)點(diǎn)及切片布置

1.3 火源功率設(shè)定、邊界條件及網(wǎng)格劃分

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，火災(zāi)由初期增長(zhǎng)至轟然階段，熱釋放速率大體以t2指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，Heskestad[10]指出可用式（1）表示：

Q=αt2（1）

保守選取火源最大熱釋放速率為1.2MW，設(shè)置為t2快速火[7-9]，在210 秒時(shí)達(dá)到最大，此后火源功率保持不變。

飛機(jī)正常起降狀態(tài)下，設(shè)定客艙內(nèi)部初始溫度293.1K，環(huán)境壓力101.325kPa，艙內(nèi)空調(diào)風(fēng)速恒定2m/s，出風(fēng)口位于行李架下方模擬計(jì)算時(shí)間350s。經(jīng)計(jì)算，本文確立劃分0.1m×0.1m×0.1m 的網(wǎng)格尺寸,總計(jì)330000 網(wǎng)格。

1.4 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

根據(jù)結(jié)構(gòu)客艙內(nèi)部特征，綜合考慮火災(zāi)發(fā)生的各種情況，選定4 個(gè)火源位置，分別位于頭等艙座椅F-1=（2，0）、經(jīng)濟(jì)艙客艙前部座椅F-2=（6.5，0）、中部座椅F-3=（13.5，0）和后部座椅F-4=（23.4，0）四個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景，如表1。

表1 不同火源位置場(chǎng)景設(shè)置

2 仿真結(jié)果分析

2.1 火源位于頭等艙模擬結(jié)果

火源位于頭等艙時(shí)，由火源中心位置沿頂棚前后雙向蔓延，煙羽流卷吸周?chē)諝?，煙氣迅速充滿(mǎn)頭等艙，0～100s 內(nèi)，由于連接門(mén)的阻擋，煙氣被主要集中在頭等艙頂棚，50s 時(shí)，頭等艙煙氣層高度不足1.2m，100s～350s 煙氣越過(guò)連接門(mén)，向客艙后部蔓延逐漸充滿(mǎn)全部客艙，在模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)定時(shí)間350s 內(nèi)，整體煙氣高度不足1.2m。內(nèi)部溫度場(chǎng)、煙密度、煙流層高度變化見(jiàn)圖3a、圖3b、圖3c。

圖3 火源位于頭等艙模擬結(jié)果

當(dāng)起火點(diǎn)位于頭等艙，由于頭等艙空間狹小，熱輻射增強(qiáng)，溫度增長(zhǎng)速率較快，210s 時(shí)艙內(nèi)所有安全出口達(dá)到人員疏散安全臨界值[10]（65°C），275s 時(shí)頭等艙天花板溫度達(dá)到600°C；頭等艙單位面積可燃物相較經(jīng)濟(jì)艙更少，熱釋放速率較小，熱釋放速率變化曲線上升趨勢(shì)對(duì)比其他火源位置增長(zhǎng)速率較緩，最大熱釋放速率為1.04MW。

2.2 火源位于客艙前部模擬結(jié)果

火源位于客艙前部時(shí)，煙氣首先由火源中心位置沿客艙頂棚向后蔓延，100s 后，經(jīng)濟(jì)艙內(nèi)煙氣達(dá)到一定厚度，煙氣越過(guò)連接門(mén)向前部頭等艙擴(kuò)散。210s 客艙內(nèi)部所有位置煙氣層高度均不足1.2m，相較于其他火源位置提前50s～140s。

起火點(diǎn)位于客艙前部時(shí)，經(jīng)濟(jì)艙內(nèi)可燃物較多，艙內(nèi)溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)較為明顯，增長(zhǎng)速率較快。艙內(nèi)所有安全出口達(dá)到人員疏散安全臨界值時(shí)間為190s，相較其他位置提前20s～60s；330s 達(dá)到峰值溫度780°C；最大熱釋放速率為2.25MW?？团搩?nèi)部溫度場(chǎng)、煙密度、煙流層高度和熱釋放速率變化見(jiàn)圖4。

圖4 火源位于客艙前部模擬結(jié)果

2.3 火源位于客艙中部模擬結(jié)果

起火點(diǎn)位于位于客艙中部，不同距離溫度、煙氣密度變化和熱釋放速率變化如圖5。由于A320 客艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不完全對(duì)稱(chēng)，使客艙內(nèi)前、后部溫度場(chǎng)、煙氣密度略有差異。

圖5 火源位于客艙中部模擬結(jié)果

當(dāng)火災(zāi)處于初起階段，煙氣由客艙中部位置沿頂棚前后雙向蔓延，由于客艙后端無(wú)結(jié)構(gòu)阻擋，氣體對(duì)流較強(qiáng)；客艙前段的連接門(mén)削弱了熱對(duì)流，導(dǎo)致客艙后部溫度和煙氣密度高于客艙前部溫度和煙氣密度，越靠近火源中心，這一趨勢(shì)越明顯；隨著火災(zāi)進(jìn)一步發(fā)展，火勢(shì)變大，前后部差異逐漸縮小。320s 時(shí)頂棚溫度達(dá)到600°C，最大熱釋放速率為2.03MW。

2.4 火源位于客艙尾部模擬結(jié)果

火源位于客艙尾部時(shí)，煙氣沿頂棚向前蔓延，經(jīng)濟(jì)艙內(nèi)部無(wú)結(jié)構(gòu)阻擋，煙氣蔓延較為迅速，煙流層達(dá)到一定厚度后，向頭等艙擴(kuò)散。150s 經(jīng)濟(jì)艙內(nèi)煙流層高度不足1.2m；270s 客艙內(nèi)部所有位置煙氣層高度均不足1.2m?？团搩?nèi)部溫度場(chǎng)、煙密度、煙流層高度變化見(jiàn)圖6a、6b、6c。

當(dāng)起火點(diǎn)位于客艙尾部，艙內(nèi)所有安全出口達(dá)到人員疏散安全臨界值時(shí)間為240s，330s 時(shí)，達(dá)到峰值溫度730°C，最大熱釋放速率1.88MW，如圖6a。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由模擬實(shí)驗(yàn)得出，飛機(jī)客艙內(nèi)部起火后，火羽流撞擊頂部，煙氣迅速上升至頂棚，在熱浮力的驅(qū)動(dòng)下，由火源中心位置沿頂棚前后雙向蔓延，形成頂部煙氣層，由于前端門(mén)阻擋，煙氣整體逐漸向下填充，達(dá)到一定厚度，直至充滿(mǎn)整個(gè)客艙。

A320 客機(jī)雙側(cè)共計(jì)8 個(gè)安全出口，緊急情況下均可作為逃生出口使用，不同起火點(diǎn)對(duì)應(yīng)的安全疏散臨界時(shí)間各條件如表2。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，當(dāng)起火點(diǎn)位于客艙前部時(shí)，艙內(nèi)所有安全出口溫度、煙氣層高度和能見(jiàn)度達(dá)到臨界值時(shí)間最短，危險(xiǎn)來(lái)臨更快。

表2 不同火源位安全疏散條件臨界時(shí)間

3 結(jié)論

本文建立A320 飛機(jī)客艙仿真模型，模擬起、降狀態(tài)下飛機(jī)客艙內(nèi)不同位置發(fā)生火災(zāi)后的情況，得到客艙內(nèi)溫度場(chǎng)、煙氣濃度場(chǎng)、熱釋放速率等數(shù)據(jù)，分析煙氣蔓延規(guī)律得處以下結(jié)論。

3.1 通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火源位于客艙中、前部時(shí)，其熱釋放速率較大、人員安全疏散時(shí)間最短、煙氣流層變化最快，火災(zāi)發(fā)生后相較于危險(xiǎn)性更大，應(yīng)重點(diǎn)強(qiáng)化該區(qū)域的消防安全防治。

3.2 由于飛機(jī)內(nèi)部自身結(jié)構(gòu)，飛機(jī)前、后部的火災(zāi)并不是對(duì)稱(chēng)發(fā)展。火災(zāi)發(fā)生前期，前部連接門(mén)阻隔了部分煙氣，客艙前段氣體對(duì)流弱于后段，導(dǎo)致客艙后部溫度略高于前部溫度，隨著火災(zāi)發(fā)展，這一差距會(huì)逐漸縮小。

3.3 由于飛機(jī)客艙內(nèi)部未配備專(zhuān)用防排煙系統(tǒng)，火災(zāi)產(chǎn)生的大量煙氣向上流動(dòng)，熱量不易排出，熱量大量積累使受限空間內(nèi)的熱系統(tǒng)失衡，短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致空間內(nèi)溫度驟升，較其他受限空間更早發(fā)生轟燃。