汽车小型火灾中烟气及温度特性研究

摘要：文章建立了汽车车体室内空间的仿真模型，模拟出汽车小型火灾的发生以及蔓延情况，并用实验验证了模型的准确性。实验得出了在汽车小型火灾中烟气及温度变化的规律，对汽车小型火灾的过程了解和预防起到了指导性作用。

关键词：汽车小型火灾；仿真模型；烟气特性；温度特性；火灾模拟 文献标识码：A

中图分类号：X932 文章编号：1009-2374（2016）14-0069-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.14.035

1 概述

近年来，汽车普及率不断提高，越来越多的汽车走进千家万户，随着汽车保有量的大量增加，汽车火灾也逐步增多，对人民群众的人身和财产安全造成了巨大的威胁。同时，由于种种原因引发的汽车小型火灾也越来越多，虽然这些小型火灾在无人为干涉的情况下就能自动熄灭，对人身和财产安全的威胁没有其他种类的汽车火灾大，但其威胁仍不容轻视。

一般对汽车火灾的研究以实际实验效果最好，但是汽车本身价值很高，而且实验过后，汽车会被损毁，实验成本很高，所以一般不采用实际实验的方式进行研究。计算机仿真模拟一般采用建立仿真模型，输入各种相关条件参数，经过相关火灾软件模拟运算，可以得出汽车火灾中烟气、温度、热释放率等一系列随时间变化参数，不仅具有成本低的优点，而且可以根据输入参数的不同得到不同场景下的输出参数，可操作性极强，而且输出结果与实际结果并无太大偏差，目前国内外在计算机模拟火灾方面已取得巨大的成果。笔者通过建立仿真模型模拟出汽车室内小型火灾的实际情况，研究了在汽车小型火灾中烟气和温度是如何变化的，对汽车小型火灾的过程了解和预防起到了指导性作用。

2 汽车座椅的组成

目前，汽车座椅的骨架基本由金属构成，座垫、靠背缓冲软垫多为高回弹软质聚氨酯泡沫塑料，座椅蒙皮一般分为纤维和皮革，而且均有天然和人造之分。天然纤维如棉、麻、丝等，多为易燃物，一旦起火，燃烧很容易扩散，而人造纤维一般为工业合成纤维，因为其种类多样性，其特性各不相同，有的既容易点燃，又容易在点燃之后迅速燃烧，有的不容易燃烧，而且燃烧过程十分缓慢，更有的离开了火源，根本无法燃烧，甚至有的在燃烧过程中会熔化成滴，反而对燃烧造成了阻碍。无论是天然皮革还是人造皮革，当起火温度比较低时一般都不容易燃烧，但当起火温度高到一定程度时，皮革作为易燃物，会很容易燃烧。作为座垫填充物的海绵或者泡沫塑料等材料，在没有经过阻燃处理时，也是易燃物，在火势较小时，本身作为多孔性物质，与火源接触部分燃烧起来，炭化形成中空结构，并产生炭化颗粒，这在一定程度上反而阻止了燃烧，但一旦火势过大，这些材料快速分解，可产生大量可燃性气体，这些气体快速燃烧，就会极大地助长了火势，并且燃烧极为迅速，燃烧部分温度极高，更主要的是它们的燃烧会产生大量的有毒气体，对人体的生命安全造成了巨大的威胁。本文所研究的汽车小型火灾，因其具有起火范围小、火源温度低、无通风、没有持续的氧供应、火灾持续时间短等特点，所以一般在火灾中损毁的部分多为座椅蒙皮。

3 仿真模拟

3.1 软件介绍

Pyrosim火灾模拟软件是一款专用于消防动态仿真模拟的软件，它是在火灾模拟软件FDS的基础上发展起来的。FDS是由NIST开发的用来解决火灾动力学问题的流体动力学软件，它可以很好地处理三维火灾问题，而且运算效率较高，误差也较小，但是FDS的建模过程十分复杂，模型材料的选择、边界条件的设定、探测器的添加等均需要依赖C语言编程输入，工程量大且极易出错，纠错极难。PyroSim由FDS延伸而来，但相比于FDS具有许多优势，三维图形化前处理功能和可视化编辑的效果可以使用户能够边编辑边查看所建模型，使用户摆脱了FDS的复杂编程建模，大大提高了建模效率和准确度，极大地简化了工作过程。

3.2 模型建立

实际的汽车室内空间结构复杂，燃烧又是一个很不稳定的过程，根据有限的实际条件，为了得到较好的仿真结果，将所建模型进行了简化。

在物理模型建模中，车体室内空间长为1.8m、宽为1.5m、高为1m，假设室内是密闭空间无通风，风速为

0m/s，车体壁材料为钢铁，座椅基体材料也为钢铁，座垫材料选用FOAM，座椅蒙皮为纺织物。

由于需要得知模型发生火灾后烟气的扩散情况、温度的变化情况、热释放速率变化情况、燃烧率变化情况等相关输出结果，这就要在所建模型中设置不同的探测点。通常会在所需固定位置放置热电偶以用来观测温度变化，有时可以添加指定切面，通过温度云图来观察切面温度变化情况。

3.3 运算模拟

本文所建模型经过FDS运算，可以从smoke view中观看整个模型燃烧过程，其中3D模拟烟气运动情况以及切面温度变化云图，如图1所示：

3.4 模拟结果分析

图1、图2为烟气扩散图，汽车火灾发生前模型内是没有烟气产生的，烟气是随着燃烧的开始而出现的，并由火源中心位置往四周扩散，而且在上升至模型顶部时略微有下压现象。图3、图4为温度云图，模拟燃烧开始前，车内温度是略高于车外温度的，其大小由车外环境温度所决定，随着燃烧的开始，火灾中心温度不断升高，随着车内氧气的不断消耗，在火焰快熄灭前达到峰值，当车内氧气耗尽，燃烧停止，因无通风散热，车内温度在迅速下降一段时间之后缓慢下降。

4 验证实验

根据有限的条件，笔者制作了一个与软件所建仿真模拟模型大小尺寸一样的实验模型，此六面体模型除了顶面，其他五面材料选用不锈钢打造，顶面采用透明钢化玻璃封顶，这样可以肉眼直接观察燃烧过程中烟气在模型中的实际扩散情况，并采用了测温计，可以随时读取模型中火源中心温度数值，其数值记录如下：

在验证试验中，随着座椅上可燃物被点燃，模型里座椅蒙皮开始迅速燃烧，烟气从起火点附近不断向模型四周扩散，火焰中心温度也不断升高，但随着模型内有限的氧气不断被消耗，燃烧过程也逐渐结束，火焰熄灭，模型温度不断下降，因为模型是一个封闭的空间，并无通风，所以烟气无法从模型中排出，整个模型内充满了烟气，如图5所示：

5 结语

仿真结果和验证实验结果均表明，在汽车小型火灾发展过程规律的研究成果基础上，通过PyroSim软件对车内进行建模分析，模拟出汽车小型火灾中烟气的流动和分布趋势，并得到了温度云图。所以有如下结论：（1）烟气的扩散规律和温度的变化情况对指导乘客的逃生有极其重要的作用；（2）这些变化规律对如何减轻和避免汽车小型火灾的损失具有指导意义。

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作者简介：周迟（1990-），男，安徽阜阳人，西南林业大学机械与交通学院在读硕士，研究方向：汽车电子技术；赵龙庆，西南林业大学机械与交通学院教授，博士，研究方向：小波分析。