隧道火災(zāi)煙氣縱向溫度分布特征研究

中圖分類號：U458.1 文獻標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.056

文章編號：1673-4874（2025）04-0201-04

0 引言

隨著交通的快速發(fā)展，隧道的建設(shè)也日益增多，隧道發(fā)生火災(zāi)的頻率也隨之增多。當(dāng)隧道火災(zāi)發(fā)生時，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣嚴(yán)重威脅著人員的生命安全，其中的高溫輻射會導(dǎo)致皮膚熱灼傷甚至死亡。為探求隧道火災(zāi)煙氣溫度的分布特征，學(xué)者們進行了多方面研究。李響等1對非對稱V形坡公路隧道火災(zāi)煙氣蔓延特性進行了研究，認(rèn)為非對稱V形坡隧道煙氣擴散呈現(xiàn)出與單坡隧道相似的多階段蔓延特性，但高坡度側(cè)，煙氣蔓延速度較單坡隧道更慢，低坡度側(cè)更快，且煙氣穩(wěn)定回流長度更短；楊家偉等2對甘青隧道火災(zāi)煙氣擴散特征進行了研究，認(rèn)為高海拔地區(qū)火災(zāi)煙氣擴散速度以及特征高度處最高溫度、最高CO濃度均高于平原地區(qū)；李志文等對公路隧道受限火源頂棚射流最高溫度分布規(guī)律進行了研究，認(rèn)為對于不同近壁距離的火源，頂棚射流最高溫度沿隧道縱向均呈指數(shù)形式衰減；張緩緩4對重點排煙隧道火災(zāi)煙氣最大溫升試驗進行了研究，指出隧道縱向中心線上最高溫度的位置不隨排煙量而變化，但頂棚煙氣最高溫度隨排煙量的增加而降低；安偉光等[5對隧道運動體火災(zāi)溫度分布及煙氣輸運特性進行了研究，指出火源功率越大，頂棚溫度越高，高溫區(qū)面積和影響范圍也越大；袁松對高海拔單洞雙向公路隧道橫通道火災(zāi)煙氣控制臨界風(fēng)速進行了研究，指出在同一火災(zāi)規(guī)模下，隧道橫通道臨界風(fēng)速隨著海拔高度的增加而明顯增大。以上學(xué)者對隧道頂棚最高溫度分布規(guī)律進行了研究，并對煙氣的輸運及擴散特征進行了分析。

基于此，本文參考以上學(xué)者的研究成果，通過模擬隧道火災(zāi)試驗，對隧道火災(zāi)煙氣縱向溫度分布特征進行了研究，分析了影響煙氣溫度分布的因素，以及不同熱釋放率下和不同通風(fēng)速度下的煙氣溫度分布規(guī)律。

1材料和方法

1.1試驗材料

試驗在小規(guī)模模型隧道中進行，隧道長 16.5m ，寬1.3m ，高0.65m，隧道的板和屋頂由鍍鋅板制成，兩側(cè)壁均由防火玻璃制成。根據(jù)弗勞德定律，模型隧道和真實隧道之間的關(guān)系可以用以下公式計算：

式中： p 二 實際隧道；m 模型隧道；T 1 -隧道溫度/ ：Q -放熱率/W;t 隧道燃燒時間/min。

因此模型隧道的溫度 T 放熱率 Q 和燃燒時間 χ_t 可以轉(zhuǎn)換為實際隧道的溫度、放熱率和燃燒時間。

本次試驗采用汽油燃燒模擬隧道火災(zāi)，在每次試驗中，保持燃料的初始厚度為 1cm 設(shè)置5種不同規(guī)格的方形池作為燃燒池，方形池長 × 寬分別為 9cm×9cm 、12cm×12cm，15cm×15cm，21cm×21cm，25cm× 25cm ，并保持燃料高度一致。燃燒系統(tǒng)包括燃料、方形燃燒池和精確的電子平衡器。燃料的質(zhì)量可以通過這種平衡器測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)可計算質(zhì)量損失率，精密電子平衡器的最大容量為 30kg ，精確度為 0.01g。

1.2 試驗方法

在試驗過程中，天平被放置在方形燃燒池下方，熱釋放速率可使用式（4）計算：

式中： Q 熱釋放率/KW；

x 一燃燒效率因子，即反應(yīng)燃燒的不完全的m可燃物的質(zhì)量燃燒速率/ （kg?s^-1 ）；ΔH? —可燃物的燃燒值/ （kJ?g^-1 ）。

本次試驗中，汽油的 ΔH 值為 48kJ/g ，燃燒效率因子設(shè)置為0.75。

為了精確測量隧道火災(zāi)的最大縱向溫度，在模型隧道中放置了一系列的熱電偶模塊，在火災(zāi)區(qū)域附近水平間距0.2m布置1個，垂直間隔0.5m布置1個，遠離火災(zāi)區(qū)域水平間隔0.5m布置1個，垂直間隔不變，模塊連接到計算機，設(shè)置每隔2S進行一次數(shù)據(jù)記錄。為了觀察燃燒期間的火焰發(fā)展，使用了三臺數(shù)碼相機來記錄火災(zāi)圖像。使用連接到模型隧道的電動軸向風(fēng)扇提供縱向空氣流動，并通過改變風(fēng)扇的功率，使用與電機耦合的電氣設(shè)備控制縱向速度，通風(fēng)速度和風(fēng)扇功率成正比。當(dāng)風(fēng)機使用最大功率輸出時，通風(fēng)速度為 2.4m/s ，將其定義為 u 。在風(fēng)扇和隧道之間安裝了一個長 1m 寬 1.3m 高0.65m的矩形膠合板箱，在隧道入口處形成均勻的流量，采用熱線風(fēng)速計測量距離火源2m的隧道中心線處的縱向速度。本次試驗方案及參數(shù)如表1所示。

表1試驗方案及參數(shù)表

2試驗結(jié)果與分析

2.1影響煙氣溫度分布的因素分析

影響煙氣溫度分布的主要因素有：（1）隧道火災(zāi)的熱釋放率；（2）通風(fēng)速度；（3）隧道寬度；（4）與燃料有關(guān)的燃燒熱和燃燒效率；（5）熱煙與隧道頂部之間的對流熱傳遞。以上因素將以不同的方式影響煙氣溫度的分布。熱釋放率是火災(zāi)中最受關(guān)注的參數(shù)，代表了火災(zāi)的規(guī)模和危險性，相對較大的熱釋放率表示將會出現(xiàn)更大的火災(zāi)和更多的損失。在隧道火災(zāi)中，在分析煙霧溫度分布時，更大的熱釋放率表示燃料在同一時間釋放出更多的熱量，第一階段的煙霧可以吸收更多的熱量，溫度略高于熱釋放率小的煙霧。然而，隨著熱釋放率的增大，流入該控制體積的煙霧溫度高于熱釋放率小的煙霧溫度，因此煙霧溫度將會更高。

隧道的通風(fēng)系統(tǒng)可以起到排煙的作用，當(dāng)火被點燃時，為了防止隧道內(nèi)的煙霧向上游流動，安裝在隧道開口上的射流風(fēng)機將發(fā)揮作用。通風(fēng)速度將對煙氣溫度分布產(chǎn)生影響，通風(fēng)速度越大，煙氣流動速度隨之越大，煙霧釋放的熱量被空氣吸收。同時熱煙攜帶的空氣傳質(zhì)速率與隧道的寬度有關(guān)，煙霧攜帶的空氣越多，表示冷空氣從熱煙霧中吸收的熱量越多，較寬隧道的熱損失遠大于較窄隧道的熱損失。

在火災(zāi)發(fā)生過程中，燃料燃燒時，燃燒熱和燃燒效率對燃料的放熱率有顯著影響。燃燒熱是單位質(zhì)量燃料釋放的熱量，燃燒效率是燃燒熱轉(zhuǎn)化為釋放到大氣中的熱量的效率。具有更大燃燒熱和燃燒效率的燃料每秒將釋放更多的熱量，表示更大的熱量釋放率，因此，煙霧溫度將更高。在燃料釋放熱量過程中，熱煙與隧道頂部之間會對流傳熱，當(dāng)隧道頂板由不同材料制成時，對流傳熱系數(shù)不相同，且對流換熱系數(shù)隨燃燒時間的延長而減小，因此熱煙運動過程中的對流熱是不同的。

2.2熱釋放率的測定

燃料質(zhì)量和HRR（熱釋放率）隨時間變化曲線如圖1所示。

圖1不同燃燒池燃料的燃燒時間曲線圖

如圖1所示，燃燒池的尺寸越小，燃燒時間越長。當(dāng)燃燒池尺寸為S ?cm×9 cm時，燃燒時間為800s；當(dāng)燃燒池尺寸為15cm × 15cm時，燃燒時間為 675s 當(dāng)燃燒池尺寸為 25cm×25 cm時，燃燒時間為 燃燒池越大，池內(nèi)燃料質(zhì)量越多，燃燒時間越短，燃燒釋放的熱量越多。隨著燃料池的尺寸的增大，火災(zāi)的強度增大，熱輻射效應(yīng)增大，熱輻射對火災(zāi)的影響相應(yīng)增大。與同時燃燒的較小燃燒池相比，大燃燒池可散發(fā)出更多的熱輻射，因此，大燃燒池的燃燒速度更快，燃燒時間更短。

不同燃燒池的火災(zāi)發(fā)展階段如圖2所示。

由圖2（a）可知，小燃燒池燃燒過程中，熱釋放率先快速增大，然后小幅度減小，再小幅度增大，處于均勻上下波動趨勢，在650s后，熱釋放量開始減小。由圖2（b）可知，大燃燒池燃燒過程中，熱釋放率較小燃燒池大，熱量增大時間短，當(dāng)時間持續(xù)500s后，熱釋放量開始減小。因此，在隧道火災(zāi)發(fā)生時，分為三個階段：生長階段、穩(wěn)定階段及衰退階段。生長階段持續(xù)時間為50s，在50s后火災(zāi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)火災(zāi)時間持續(xù) 500～650 S后，燃燒開始減小，火災(zāi)開始進入衰退階段。在穩(wěn)定階段，燃燒池越大，火災(zāi)強度越大，火災(zāi)的穩(wěn)定階段持續(xù)時間越短。在火災(zāi)穩(wěn)定階段，當(dāng)燃燒池尺寸為9 cm×9 cm時，燃料熱釋放率為2.33kW；當(dāng)燃燒池尺寸為 12cm×12 cm時，燃料熱釋放率為3.20kW；當(dāng)燃燒池尺寸為1 50m×15 cm時，燃料熱釋放率為7.17KW；當(dāng)燃燒池尺寸為 21（m×21 cm時，燃料熱釋放率為19.29kW；當(dāng)燃燒池尺寸為 25cm× 25cm時，燃料熱釋放率為26. 14kW. 。由此表明， 25cm× 25cm燃燒池燃燒時產(chǎn)生的熱量最大。

圖2不同燃燒池的熱釋放率變化曲線圖

圖3試驗 A1～A5 的縱向最度溫度分布示意圖

圖4試驗 A1～A5 數(shù)據(jù)擬合結(jié)果曲線圖

2.3不同熱釋放率下的煙氣溫度分布

在火災(zāi)試驗中，將煙氣離火源的距離和煙氣的最高溫度轉(zhuǎn)為無量綱量。根據(jù)試驗結(jié)果，試驗 A1～A5 的縱向最高溫度分布如圖3所示。

如圖3所示，隨著距火源距離的增大，隧道頂部煙氣溫度均逐漸減小，距離火源越遠，煙氣溫度越低。當(dāng)燃燒池尺寸逐漸增大時，隧道頂部煙氣溫度隨之增大。因此，燃燒的熱釋放率對煙氣的溫度分布影響顯著，熱釋放率大的燃燒池，隧道頂部產(chǎn)生的煙氣溫度高。

將測量數(shù)據(jù)進行擬合，可得擬合結(jié)果，如圖4所示。

圖4為試驗數(shù)據(jù)擬合后的結(jié)果，根據(jù)擬合曲線，縱向溫度分布為一階非齊次線性微分方程的解，其解為兩個指數(shù)函數(shù)的和，其無量綱形式的公式如下：

式中： ΔT 隧道頂部煙氣最高溫度/ ：T_a 環(huán)境溫度/℃；x 距火源的距離/m；w 隧道的寬度/m；A、A、a a₂ 擬合參數(shù)。

根據(jù)擬合結(jié)果，主要的參數(shù)如表2所示。

表2火災(zāi)的熱釋放率及擬合公式中 R² 值表

由表2可知，各試驗數(shù)據(jù)擬合后，其 R² 值均 gt;0.94 A擬合程度高，因此隧道火災(zāi)中縱向煙氣溫度分布可由式（5）表示。

2.4不同通風(fēng)速度下的煙氣溫度分布

當(dāng)通風(fēng)速度變化時，隧道火災(zāi)的煙氣溫度分布如圖5所示。

表3火災(zāi)時的通風(fēng)速度及擬合公式的 R² 值表

由表3可知，各試驗數(shù)據(jù)擬合后，其 R² 值均 gt;0.94 擬合程度高，因此，隧道火災(zāi)中縱向煙氣溫度分布可由式（5）表示。

根據(jù)以上分析，導(dǎo)致溫度衰減的主要原因是煙霧與隧道頂部之間的熱對流、熱煙霧與寒冷環(huán)境之間的熱輻射，以及因空氣流通造成的熱損失?？諝饬魍ㄊ菬煔庀蛳逻\動的重要過程，通風(fēng)速度越大，空氣流通越快，帶走的熱量的越多。

3結(jié)語

本文通過模擬隧道火災(zāi)試驗，對隧道火災(zāi)煙氣縱向溫度分布特征進行了研究，分析了影響煙氣溫度分布的因素以及不同熱釋放率下和不同通風(fēng)速度下的煙氣溫度分布規(guī)律，可得如下結(jié)論：

（1）燃燒池的尺寸越大，燃燒時間越短，燃燒釋放的熱量越多；同時，火災(zāi)的強度增大，熱輻射效應(yīng)增大，熱輻射對火災(zāi)的影響相應(yīng)增大。在火災(zāi)穩(wěn)定階段，燃燒池越大，火災(zāi)的穩(wěn)定階段持續(xù)時間越短，其中25 cm×25 cm燃燒池的熱釋放率最大。

（2）隨著距火源距離的增大，隧道頂部煙氣溫度逐漸減小，距離火源越遠，煙氣溫度越低。隨著燃燒池尺寸的增大，火災(zāi)熱釋放率增大，隧道頂部煙氣溫度隨之增大，熱釋放率越大的燃燒池，隧道頂部產(chǎn)生的煙氣溫度越高。

（3）隧道通風(fēng)速度越大，隧道頂部的煙氣溫度越低。隨著隧道通風(fēng)速度的增大，加快了空氣與隧道頂部煙氣之間的熱對流，同時增加了空氣的流通，帶走了煙氣的熱量，隧道內(nèi)煙氣溫度隨之降低。

由圖5（a）可知，試驗B1隧道頂部的煙氣溫度大于試驗B2，試驗B1的縱向通風(fēng)速度為O，試驗B2的縱向通風(fēng)速度為0 ，由此表明，隧道的通風(fēng)可降低頂部煙氣溫度。由圖5（b）可知，試驗B3和B4的縱向通風(fēng)速度均大于B1和B2，頂部煙氣溫度均小于B1和B2。由圖5（c可知，試驗B6的縱向通風(fēng)速度最大，其隧道頂部的煙氣溫度最小。綜上所述，通風(fēng)速度越大，隧道頂部的煙氣溫度越低。將試驗數(shù)據(jù)進行擬合，縱向溫度分布為一階非齊次線性微分方程的解，其解為兩個指數(shù)函數(shù)的和，其無量綱形式的公式與式（5）相同，其主要參數(shù)如表3所示。

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