国内外典型列车火灾燃烧特性研究综述

马伟斌 王志伟 韩自力 马召辉

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081

截至2020年底，我国铁路运营里程已达14.5万km，隧道运营里程达19 630 km，居世界第一［1］。铁路快速发展的同时列车运行安全问题也不容忽视。列车空间狭小、气密性好、人员密集，如果列车客室内发生火灾，火灾产生的烟气和热量难以散发、乘客疏散困难，乘客生命安全会受到严重威胁［2］。很多国家对铁路列车火灾都极其重视，并开展了大量的科研工作，在预测列车火灾危险程度基础上进行列车防火安全评估、火灾安全管理，采取相应的预防措施。

我国参考国外的标准制订了部分标准及规范，如TB/T 2640—1995《铁道客车防火保护的结构设计》［3］、TB/T 3237—2010《动车组用内装材料阻燃技术条件》［4］等。这些标准和规范基本参照欧盟EN 45545.2—2013+A1—2015《铁路应用——铁路车辆的防火保护——第2部分 材料和元件》，德国DIN 5510.1—1988《铁路机车车辆预防性防火防火等级、防火技术措施和证明》、美国NFPA 130—2010《有轨列车及铁路客运体系标准》等国外标准制定。TB 10020—2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》［5］中有些建议也是在调研国外有关研究成果和规定的基础上确定的。比如火灾规模应按照列车类型确定，动车组可采用15 MW，普通旅客列车可采用20 MW。这些标准缺乏系统试验，导致了标准内容不够全面和具体，随着列车生产制造技术、选材的变化和时间的推移，在一定程度上显现出缺乏适用性。

运营铁路里程日益增多，越来越多的列车投入使用，大运量高密度地运行对安全运营要求越来越高，列车本身防灾减灾和灾害应急处置客观上要求针对列车火灾时的热释放速率、火场温度、烟气组分、致灾机理等开展前瞻性的系统研究。一方面可得出现行列车的关键防火位置，采集相关数据对现有规范进行修订；另一方面可以为人员疏散方案设计、防灾疏散救援工程设计提供依据，保障列车运营安全与应急处置措施的有效性和科学性。

国内外针对列车火灾燃烧特性的研究主要采用实体燃烧试验、模型燃烧试验和数值模拟三种方法。实体燃烧试验数据可靠，但耗资巨大、试验难度大。模型试验花费比实体试验有所减少，且重复性好、数据采集便利，但其具有条件复杂、影响因素多等困难。数值模拟花费较低，但需要考虑足够的边界条件、输入参数的准确性等问题。

本文基于广泛调研，综述国内外列车火灾实体燃烧试验、模型燃烧试验与数值模拟的研究过程与典型结果，分析相同研究对象之间的差异，并指出我国实体燃烧试验、模型燃烧试验存在的问题，给出今后的研究建议。

1 国内外列车火灾实体燃烧试验

1.1 国外典型列车火灾实体燃烧试验

截至目前，包括日本、德国、瑞典、韩国、西班牙、等国家的知名研究机构开展过实体燃烧试验。

日本国家铁路公司先后在1951年、1972年、1975年进行了列车车辆静态燃烧试验［6］。1973年在北海道狩胜试验线上进行了非隧道区间5辆编组列车的运行着火试验，调查了运行列车的火灾状况、车厢阻燃材料的防火性能、着火车厢前后相邻车厢受到火灾的影响程度，以及为了保证旅客安全须采取的车辆防火对策和列车操纵方法。

1985年德国盖尔森基兴市进行了隧道内列车火灾试验［7］。隧道采用ST52⁃3号型钢制成，长361 m，圆形净断面面积约31 m2。将废弃电车作为燃烧物，20 m车厢的燃烧荷载为7.07×104MJ。试验得出隧道内空气最高温度出现在燃烧车辆顶板下方，最高温度可达880℃，在火源点燃后6～8 min出现。

1990年在地下交通和设施安全问题日益严重的背景下，德国、瑞典、英国等欧洲九个国家联合开展了代号为Eureka⁃Project EU 499的列车燃烧试验［8-9］。通过大规模的全尺寸客运列车车厢火灾试验，研究了不同列车车体结构材料（铝和钢），不同车厢墙板以及天花板内装材料下列车车厢燃烧特性，测得车厢顶部最高温度近1 000℃，最大热释放速率可达15～20 MW。

2010年澳大利亚维多利亚大学为研究列车火灾发展规律，利用全尺寸的旅客列车进行了火灾试验［10］，见图1。发现火势很难直接在前后排座椅间蔓延，通风条件对火灾的发展具有重大影响，窗口破裂会显著增加车内通气量，使火势迅速增大。破窗前后火灾热释放速率分别为8、11 MW。

图1 维多利亚大学全尺寸旅客列车火灾试验

2012年瑞典SP（Simpevarp）国家测试研究所在Brunsberg的废弃隧道内进行了两次实体地铁列车燃烧试验［11-12］，见图2。所用地铁车厢分别是生产于20世纪70年代的老式地铁车厢和用现代列车座椅和不燃的铝制材料改造的老式车厢。两次试验测得的热释放速率最大值分别为76.7、77.4 MW，火场最高温度均超过了1 000℃。改造车厢热释放速率在燃烧初期发展缓慢，在100 min左右迅速发展，并在其后20 min内热释放速率达到最大值。试验测得的热释放速率远大于其他研究所得数据。原因是座位上、座位下和座位间的行李促进了火势的蔓延，明显加快了火灾的发展。

图2 隧道内列车燃烧试验

2012年韩国铁道技术研究院联合加拿大卡尔顿大学基于耗氧法建造了一个类似于隧道且可用于列车火灾热释放速率测试的大型量热试验装置，并利用该装置对一辆城际铁路列车进行了火灾热释放速率测试［13-14］，见图3。试验发现车厢内火势沿天花板呈线性快速传播，在座椅和地板上初始蔓延速度很慢，但随后迅速扩大，呈非线性传播趋势。火灾的进一步发展使窗户破裂，破坏面积随时间呈线性增加，不仅促进了车内通风，还使车内火焰热辐射率迅速提高。最大热释放速率达到52.5 MW。

图3 城际铁路列车燃烧试验火势发展情况

2013年西班牙坎塔布里亚大学为保障新型高速列车的防火安全，首先通过小规模试验测试了单种材料的防火性能，然后通过火灾实体燃烧试验开展进一步研究［15］。材料测试结果表明新型高速列车所用材料大多数具有良好的防火性能，但地毯、座椅等纺织材料防火性能较差。实体试验也发现所用材料的防火性能良好，火势只从作为初始火源的背包蔓延到邻近的座椅和地毯。

1.2 国内列车火灾实体燃烧试验

2015年公安部天津消防研究所、中国安全生产科学研究院和北京市地铁运营有限公司合作开展了针对地铁列车燃烧特性的火灾实体试验［16］，见图4。该试验是国内首次开展的列车火灾实体燃烧试验，在试验过程中获得了车厢火灾热释放速率、车内温度分布、烟气浓度、辐射热等基础数据，填补了我国在地铁车辆火灾研究领域的空白，获得的数据对于指导地铁消防系统设计、火灾扑救以及标准制定都具有重要参考价值。国内实体列车燃烧试验仅此一例，尚无针对铁路各类型列车的燃烧试验。

图4 地铁列车火灾实体燃烧试验

2 国内外列车火灾燃烧模型试验

2.1 国外列车火灾模型燃烧试验

1984年美国国家标准与技术研究院为了对铁路客车内部的火灾特性进行评估，开展了三种类型的试验，分别为单种材料可燃性和产烟试验、座椅组件热释放速率测定试验、火灾隐患和着火点调查试验［17］。研究得出铁路客车火灾燃烧的烟气温度达825℃，烟气中CO浓度达3.9%，沿着列车全长布置的地毯和行李架十分有利于火势蔓延。

2000年澳大利亚联邦科学与工业研究组织进行了一系列大尺寸列车火灾模型试验，对列车客室火灾初期增长阶段火焰演化过程进行了研究，发现火焰很难直接在前后排座椅间蔓延［18］。

2007年韩国铁道技术研究院为评估由复合材料制成的列车车体防火安全性，利用一段长6 m的大尺寸列车模型进行了车厢局部火灾条件下防火性能试验［19］，见图5。试验得出车体内部表面最高温度为156.3℃，复合材料表面最高温度为307.2℃，均低于着火点温度，证明复合材料车体在严酷的火灾条件下具有良好的耐火性能。

图5 模型试验中燃烧过程

2007年瑞典SP国家测试研究所根据典型客车车厢尺寸按缩尺比1∶10制作模型［图6（a）、图6（b）］，对列车车厢热释放速率的影响因素进行研究［20］。结果表明列车内不同类型表面材料具有不同的初始火焰特征，车内的火灾发展主要受通风状态（开窗数量）控制。

2014年和2017年瑞典SP国家测试研究所又制作了1∶3的模型和1/3车厢长度的模型［图6（c）、图6（d）］，对通风开口、行李的数量及其分布等影响因素进行了研究［21-22］。发现所有试验火灾发展规律基本一致，都是火势增大后局部轰燃，使整个区域卷入火场之中，然后火势开始沿车厢蔓延，直至整个车厢开始燃烧。蔓延全过程中顶部烟气层的温度约在600～800℃，顶部火焰和烟气产生的热辐射是车厢内火势蔓延的主要表现方式。

图6 瑞典SP国家测试研究所火灾模型试验

2.2 国内列车火灾模型燃烧试验

1999年中国矿业大学［23］联合中国铁道科学研究院利用1∶5的列车模型在燃烧风洞中进行了着火列车运行条件下的车厢火灾特性试验。得出列车车门开启状况对车厢内的烟气流动具有较大影响。车厢封闭时车内温度升高较快，但由于供氧不足，燃烧后存在窒息的可能；端门打开时车内温度上升较慢，但维持稳定燃烧的时间较长。

2004年中南大学消防工程防灾减灾实验室根据旅客列车卧铺车厢情况制作了1∶15的车厢模型，在风洞内进行了火灾模拟试验［24］。发现列车在运动状态下燃烧释放的热量比停止状态下多，燃烧持续的时间也更长。

2008年公安部四川消防研究所［25-26］利用地铁列车模型模拟研究了车厢火灾的热释放速率、烟气组分、温度的变化规律。车厢内按照列车实际情况布置了沙发座垫、靠垫、灯罩、广告牌、拉手等设施。研究发现一节车厢最大热释放速率约为5 MW，如考虑极限情况，两侧沙发同时引燃，则一节车厢最大热释放速率约为10 MW。车内烟气的主流是沿着但不贴着车顶（距车顶有一定距离）向车辆外蔓延。

2012年中国科学技术大学［27］依照深圳地铁列车制作了全尺寸列车模型（图7），对乘客携带不同数量、类型行李及人为纵火时火灾特性进行了试验［27］。得出在不考虑地铁列车本身可燃材料着火的情况下人为纵火时车厢内乘客行李物品的热释放速率可达到4 MW。

图7 中国科学技术大学全尺寸地铁列车火灾试验模型

2012年青岛理工大学［28］在测定地铁列车可燃材料燃烧特性的基础上，采用1∶4列车模型燃烧试验和全尺寸列车数值模拟相结合的方法对地铁列车的燃烧过程进行了研究。发现列车起火后火势主要沿着地板布、灯罩和电缆蔓延，隧道断面风速为1～3 m/s时一节车厢最大热释放速率在4.5～13.2 MW。

相较于实车试验，模型试验效率高，造价较低，但成果准确性取决于相似理论的准确应用。在实车试验较难开展的情况下，模型试验仍是当前最优的研究方法。

3 国内外列车火灾数值模拟

3.1 国外列车火灾数值模拟

由于成本较低、工况调整方便，国内外对于列车火灾燃烧特性研究的数值模拟均开展得较多。现行的主流火灾模拟软件为美国国家标准与技术研究院研发的FDS（fire dynamics simulator）。

2005年新西兰的Chiam［29］考虑材料燃烧特性、隧道几何结构等因素的影响，采用FDS对新加坡的新环线地铁列车火灾进行了数值模拟。研究得出列车在区间隧道和站台燃烧时热释放速率分别为10、5 MW。

2008年西班牙的Capote等［30］针对利用锥形量热仪测量结果得出的热辐射率和点火温度值，将FDS模拟结果与欧洲FIRESTARR研究项目的试验结果进行了对比，在证明试验数据有效的基础上，进一步定量分析了列车火灾材料单体燃烧特性和规律。

滑坡在SPOT5遥感解译的判译特征：以半圆形和不规则形状居多，坡体地形破碎，局部有不均匀陷落的平台。滑坡体后缘发育有异常影像，活动滑坡地表土体比较新鲜，植被稀少，土体表面具有较强的反射能力，在影像上呈现明显的亮色调，见图5(a)，可显示均匀的浅灰白色。

2014年法国的Guillaume等［31］以法国MS61列车为原型，利用FDS中材料热解模型和HRRPUA（heat release rate per unit area）模型对列车火灾的发展过程进行了数值模拟。研究得出热释放速率、温度、CO2含量等相关数据，并强调预测CO等有毒有害气体的含量也十分重要。

3.2 国内列车火灾数值模拟

2006年北京交通大学的王盟等［32］以铁路YZ25T型空调硬座车厢为原型，利用PHOENICS（parabolic hyperbolic or elliptic numerical integration code series）计算传热学软件对车内火灾烟气流动规律进行了模拟研究。得出当火源位于车厢中部时有明显的烟气羽流、顶棚射流和烟气分层现象，而当火源位于车厢端部时烟气羽流将卷吸门外空气出现横向倾斜现象，从而导致烟气温度和浓度最高点偏移。

2012年西南交通大学的王建帆、席亚军等［33-34］以高速铁路CRH2型动车组为原型，在利用锥形量热仪和ISO 9705标准燃烧试验台获取高速列车材料物性参数的基础上，采用FDS进行了高速铁路列车火灾数值模拟。研究发现轰燃的产生及其影响与通风条件有密切关系，在轰燃发生之后打开门或窗，因外界空气进入火灾热释放速率在短时间内升高。

2014年西南交通大学的王升［35］采用材料测试和数值模拟相结合的方法对高速铁路列车火灾燃烧特性进行了研究。得出在列车客室可燃物完全燃烧时火灾最大热释放速率在30～40 MW，火灾充分发展阶段顶棚温度高达1 000℃以上。

2015年西南交通大学的苟琦林、毕海权等［36-37］采用FDS对高速列车火灾燃烧特性进行了数值模拟。发现列车内部火势沿着顶板蔓延的速度最快，而沿着地板、座椅、侧墙蔓延的速度要比顶板慢得多，车内烟气最高温度约1 250℃。

2019年中南大学的王爱武等［38］采用FDS对CRH6高速列车火灾进行数值模拟。得出CRH6高速列车二等车厢发生火灾时，人均携带行李重量为5.0、7.5、10.0 kg时，火灾最大热释放速率分别为10.786、14.544、18.800 MW。

模拟试验结果可获得大量的数据，但受限于初始输入参数和建模人员技术水平。在保证真实性和准确性的前提下，模拟试验可用于校核实体燃烧试验和模型燃烧试验结果。

4 结论

本文对国内外典型列车火灾实体燃烧试验、模型试验和数值模拟三种方法的研究成果进行了分析，得出以下结论：

1）国外各实体燃烧试验得出的列车火灾热释放速率差异较大，低的约15 MW，高的超过70 MW，但火场最高温度基本一致，多数在800～1 000℃。

2）目前我国关于列车火灾燃烧特性的研究处于起步阶段，国内除做过一次地铁列车的实体燃烧试验外，还未做过普速火车、高速铁路动车等其他列车的实体火灾试验。

3）列车火灾实体燃烧试验是获取火灾热释放速率、火场温度、烟气组分等相关数据直接、有效，且具有说服力的方法，可为制定相关防火标准、防灾疏散救援工程设计规范以及工程设备设施配置提供依据。

4）列车火灾模型燃烧试验和数值模拟两种研究方法在研究火灾发展机理和影响因素方面具有明显优势，但由于可燃物分布、燃烧物设置等存在的问题，得出的热释放速率、火场最高温度与列车火灾实体燃烧试验相应值有所差异。

5）模型试验可在列车材质、构造等不同工况下进行。在辨识致灾因素的基础上，根据实际列车的大载荷与易燃材质分布特点制作模型进行燃烧试验，能找出列车重点防火位置，进而提升列车耐火性能。

6）数值模拟可在采用锥形量热仪和ISO 9705标准燃烧试验台等量热装置对列车材料进行物性分析的基础上设置模型参数，评定各种材料防火性能的优劣，构建列车材质防火性能共享数据库。