隧道內不同橫向位置雙火源頂棚最大溫升試驗研究

摘要：為分析自然通風隧道內雙火源的頂棚最大溫升，在不同火源邊長、火源間距、火源橫向位置3個影響因素下，采用隧道模型（與實際隧道的比例為1：10）在實驗室內進行77組雙火源火災試驗，與9組單火源火災試驗對照，分析3個影響因素對頂棚最大溫升的影響。結果表明：雙火源間距相同時，火源邊長越大，頂棚最大溫升越大；火源間距和火源橫向位置對頂棚最大溫升影響顯著；火源邊長和雙火源間距相同時，火源位于貼壁位置時的頂棚最大溫升最大；單火源燃燒時，隨火源逐漸遠離側壁，頂棚最大溫升先減小后增大；雙火源間距較大時，隨火源逐漸遠離側壁，頂棚最大溫升一直減小；火源邊長相同時，隨雙火源間距增大，火源位于同一位置的頂棚最大溫升基本呈減小趨勢。將Alpert頂棚最高溫升預測模型與Zukoski鏡面效應相結合，可較準確地預測單火源位于貼壁位置時的頂棚最大溫升；雙火源位于不同隧道橫向位置時的歸一化頂棚最大溫升均隨無量綱火源間距的增大而減小。

關鍵詞：安全工程；雙火源；隧道橫向位置；火源間距；頂棚最大溫升

中圖分類號：U458文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）04-0119-07

0引言

隧道空間結構狹長，一旦車輛相撞引發起火事故，車輛間距更小，積聚的高溫煙氣更易引燃其他車輛，形成多火源火災[1-2]。隧道火災中的多火源火災占比高達14%[3-4]。火災間距較小時，火焰兩側卷吸空氣不平衡，火焰傾斜甚至合并，火焰高度增大，直至形成頂棚射流，增大頂棚下方煙氣溫度，易破壞隧道主體結構，隧道火災不可控，破壞性較大，對人員疏散和車輛安全轉移造成極大困難[5-7]。

從隧道內多火源火災角度考慮，Zhao等[8]采用小尺寸試驗分析雙火源的燃燒過程，探究隧道內雙火源間距對頂棚最大溫升和縱向溫度分布的影響；Meng等[9]采用試驗研究隧道內2個橫向對稱排列火源的間距對頂棚最大溫升的影響，并提出相應的預測模型。陳柔均[10]通過改變火源熱釋放速率、火源間距和縱向通風速度分析隧道頂棚溫度變化規律，構建雙火源頂棚最大溫升的預測模型。Heidarinejad等[11]采用火災動力學模擬工具研究隧道內障礙物與雙火源的距離及雙火源不同放置方式對臨界通風速度的影響。研究隧道內多火源火災時，通常假設火災發生在隧道縱向中心線上，實際上隧道的任意橫向位置都有可能發生火災，火災位置對頂棚最大溫升有較大影響[12-14]。

本文采用隧道模型進行試驗，考慮隧道不同車道均有可能發生火災，將雙火源分別設置在隧道貼壁、臨壁、中軸線3處橫向位置，研究火源邊長和火源間距對頂棚最大溫升的影響，以期為隧道火災探測、消防救援及隧道結構防護提供基礎數據。

1試驗

1.1試驗平臺與測點布置

在隧道模型中完成全部試驗，隧道模型與實際隧道比例為1∶10，如圖1所示。隧道模型的長、寬、高分別為10.5、1.0、0.6 m。隧道模型的頂棚、底板及內側側壁采用厚1.5 cm的防火板，保證隧道模型壁面與實際隧道壁面的導熱性能相似，外側側壁采用耐高溫的防火玻璃，以便觀察試驗現象。采用K型鎧裝熱電偶（響應時間小于1 s，直徑1.5 mm，誤差為±1.3 ℃）測量試驗溫度，Agilent34970A多路數據采集器記錄溫度數據。為保證試驗數據誤差較小，點火后等待150 s，待火源熱釋放速率穩定后記錄數據。

熱電偶測點的布置如圖2所示。頂棚溫度測點位于頂棚下方0.01 m，從2個火源中心上方向隧道兩端布置縱向熱電偶，間隔0.10 m；橫向熱電偶從內壁向外壁布置，間隔0.05 m；火源間豎向熱電偶從頂棚下方0.01 m向下布置，間隔0.05 m。隧道內不同橫向位置（貼壁、臨壁、中軸線）的火源布置俯視圖如圖3所示。x方向為隧道縱向，y方向為隧道橫向。火源靠近隧道內壁的一側與隧道內壁的距離為r，火源間距為s，隧道寬w，火源邊長為D。r=0時，火源位于貼壁位置；r=w/4-D/2時，火源位于臨壁位置；r=w/2-D/2時，火源位于中軸線位置（以下簡稱貼壁火源、臨壁火源、中軸線火源）。在門窗關閉的實驗室內進行試驗，防止外界風干擾，試驗時室溫約為10 ℃。

1.2試驗工況設計

燃料為92#汽油。油池A、B相同，采用3種方形油池：第1種油池的長、寬、高分別為0.10、0.10、0.08 m，第2種油池的長、寬、高分別為0.15、0.15、0.08 m，第3種油池的長、寬、高分別為0.20、0.20、0.08 m。單火源位于隧道中軸線時，熱釋放速率分別為4.38、13.86、22.05 kW。考慮火源尺寸、火源間距和火源橫向位置對頂棚最大溫升的影響，設計77組雙火源火災試驗，以9組單火源火災試驗為對照組，在貼壁、臨壁和中軸線位置各進行3組單火源火災試驗，火源A邊長分別為0.10、0.15、0.20 m，試驗編號為1～9。雙火源試驗工況如表1所示。

2結果與討論

2.1頂棚最大溫升特性

不同火源邊長、火源間距條件下，火源位于不同橫向位置時頂棚最大溫升如表2所示。由表2可知：雙火源間距相同時，火源邊長越大，頂棚最大溫升越大；火源間距和火源橫向位置對頂棚最大溫升影響顯著。

火源邊長和雙火源間距相同時，貼壁火源的頂棚最大溫升最大，火焰直接烘烤側壁，煙氣更易積聚，高溫側壁和高溫煙氣的熱反饋加快液體燃料的蒸發，增大火源的熱釋放速率。側壁影響火焰卷吸空氣，火焰的長度增大，卷吸更多空氣保證充分燃燒。單火源燃燒時，隨火源遠離側壁，頂棚最大溫升先減小后增大，主要原因是中軸線火源火焰卷吸空氣不受側壁限制，燃燒更充分。臨壁火源的頂棚最大溫升較小，火源距側壁較近，側壁對火焰卷吸空氣的限制作用大于中軸線火源，高溫側壁對空氣產生的加熱作用不如貼壁火源明顯，臨壁火源的熱釋放速率小于貼壁火源和中軸線火源。雙火源間距較大時，隨火源遠離側壁，頂棚最大溫升減小，主要原因是火焰從雙火源中間區域卷吸的空氣增多，側壁對空氣卷吸的限制作用變弱。

火源邊長相同時，隨雙火源間距增大，火源位于同一位置的頂棚最大溫升基本呈減小趨勢，主要原因是：1）火源間距較小時，火焰因內外側卷吸空氣不平衡引起火焰傾斜甚至合并，火焰高度增大，頂棚溫度也更高；火焰對燃料產生熱反饋，間距較小的雙火源受自身火焰和另一火焰的熱反饋，火源的熱釋放速率大。2）隨火源間距的增大，合并的火焰逐漸分離，分離至一定距離后，火焰在豎向上分為2個相互獨立的羽流，等同單火源[15]。

2.2不同橫向位置的單火源頂棚最大溫升

火源位于隧道內時，根據煙氣的流動形態，煙氣蔓延過程主要分為4個階段：1）羽流受浮力作用向上運動，直至達到頂棚；2）頂棚射流徑向擴散直至達到側壁；3）頂棚射流由徑向蔓延轉變為水平蔓延；4）煙氣蔓延，形成充分發展的一維穩定流動[16]。

頂棚最大溫升是表征隧道煙氣溫度的關鍵參數之一，頂棚最大溫升的經驗公式[17]為：

式（1）適用于無側壁限制、弱羽流撞擊頂棚的火源。在煙氣蔓延的第3個階段，煙氣撞擊側壁后向下運動，形成反壁面射流，部分煙氣回流至火源區域，頂棚下方的最高煙氣溫度比無側壁約束時高。

火源功率較大時，火羽流直接沖撞頂棚形成頂棚射流，本文所有工況下的火焰均未形成頂棚射流，符合式（1）的適用條件。為判斷式（1）預測不同隧道橫向位置火源引起的頂棚最高溫升的準確性，假設

式中α為系數。

由圖4可知：火源位于隧道不同橫向位置時，α差別較大。火源位于貼壁位置時，α=27.00；火源位于臨壁和中軸線時α相同，均為18.02，前者是后者的1.49倍，表明受隧道側壁限制，頂棚下方煙氣最大溫升增大。火源位于隧道中軸線附近時，α=18.02，大于式（2）的16.90，主要原因是狹長空間內的高溫煙氣更易積聚，高溫煙氣對火源的熱反饋使得火源的熱釋放速率更高。火源位于側壁附近時，頂棚最高溫升不完全按式（1）計算。

結合Alpert經驗公式和Zukoski鏡面效應理論，隧道內火源位于不同橫向位置時的頂棚最大溫升的數值：

單火源頂棚最大溫升試驗結果與預測結果的對比如圖6所示。

由圖6可知：試驗結果與預測結果誤差較小，將Alpert經驗公式和Zukoski鏡面效應理論相結合，能較好地預測火源位于隧道不同橫向位置時的頂棚最大溫升。

2.3不同橫向位置的雙火源頂棚最大溫升

中軸線火源的火焰均能從四周穩定地卷吸空氣，隧道側壁嚴重影響臨壁火源和貼壁火源的火焰對周圍空氣的卷吸。

當火源靠近側壁時，火焰只能通過3個面卷吸空氣，需更多空氣才能保證充分燃燒，火焰兩側的水平慣性力更大，火焰發生合并的概率更高，火焰長度大大增加。火源靠近側壁時，高溫煙氣和高溫側壁的熱反饋使火源的熱釋放速率增大。在相同火源間距的條件下，受側壁限制的火源頂棚最大溫升遠大于無側壁限制的火源。

基于量綱分析，式（3）可推導為：

將式（4）右側的第一項和第二項合并得到無量綱頂棚最大溫升：

分析無量綱頂棚最大溫升與無量綱熱釋放速率的相關性。由Alpert經驗公式可得到：

結合式（5）（6）可得：

對式（7）變換可得

由圖7可知：火源位于貼壁位置時，歸一化頂棚最大溫升隨無量綱火源間距的增大而近似線性減小，但減幅較小，主要受側壁對火焰卷吸空氣的限制，火焰在火源間距較小時一直處于合并狀態；側壁對臨壁火源和中軸線火源火焰卷吸空氣的限制較小，單火源時燃料燃燒更充分，歸一化頂棚最大溫升更大，隨火源間距的增大，火焰快速分離，歸一化頂棚最大溫升下降速度也更快。

對3個不同火源橫向位置的歸一化頂棚最大溫升數據點分別擬合，得到頂棚最大溫升的預測公式為：

火源位于中軸線位置時的頂棚最大溫升預測結果與文獻[8，19-20]試驗結果對比，如圖8所示。

由圖8可知：小部分散點位于±20%誤差線以外，大部分預測結果與試驗結果基本一致。

3結論

1）單火源和雙火源位于貼壁位置時的頂棚最大溫升大于火源位于臨壁和中軸線位置；火源間距較小時，中軸線火源燃燒時的頂棚最大溫升大于臨壁火源，火源間距較大時，火焰可從火源間區域卷吸較多空氣，臨壁火源和中軸線火源燃燒的頂棚最大溫升差別不大。

2） 結合Alpert頂棚最高溫升預測模型與Zukoski的鏡面效應理論，研究單火源位于貼壁位置的頂棚最大溫升時，將火源熱釋放速率替換為2倍實際熱釋放速率，代入Alpert預測模型，預測結果與試驗結果基本一致，較準確。

3）臨壁雙火源燃燒時，歸一化頂棚最大溫升隨無量綱火源間距的增大而線性減小；雙火源位于臨壁和中軸線位置時，歸一化頂棚最大溫升隨無量綱火源間距的增大呈指數衰減；所得頂棚最大溫升預測模型可用于火源位于臨壁、中軸線和貼壁3種不同隧道橫向位置的情況。

本研究只給出雙火源位于3種不同橫向位置的頂棚最大溫升，所建預測模型有一定局限性，火源位于其他橫向位置的頂棚最大溫升還有待進一步研究。

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Experimental study on the maximum temperature rise of the ceiling

with dual fire sources at different transverse positions in a tunnel

sources， a total of 75 sets of dual fire source fire tests are conducted in a tunnel model （scaled at 1：10 compared to the actual tunnel） under three influencing factors： fire source edge length， distance between fire sources， and lateral position of fire sources. These results are compared against 9 sets of single fire source fire tests to examine the impact of the three factors on the maximum temperature rise of the ceiling. The results indicate that： when the distance between dual fire sources is the same， a larger fire source edge length leads to a greater maximum temperature rise of the ceiling; the distance between fire sources and their lateral position significantly affect the maximum temperature rise of the ceiling; when the fire source edge length and distance between dual fire sources are the same， the maximum temperature rise of the ceiling is greatest when the fire source is positioned against the wall; during single fire source combustion， as the fire source gradually moves away from the side wall， the maximum temperature rise of the ceiling first decreases and then increases; when the distance between dual fire sources is relatively large， the maximum temperature rise of the ceiling continuously decreases as the fire source moves away from the side wall; when the fire source edge lengths are the same， as the distance between dual fire sources increases， the maximum temperature rise of the ceiling when the fire sources are in the same position generally shows a decreasing trend. By combining the Alpert ceiling maximum temperature rise prediction model with the Zukoski mirror effect， a relatively accurate prediction of the maximum temperature rise of the ceiling can be made when a single fire source is positioned against the wall; the normalized maximum temperature rise of the ceiling for dual fire sources located at different transverse positions in the tunnel decreases with the increase of the dimensionless distance between fire sources.

Keywords：safety engineering; dual fire sources; tunnel transverse position; distance between fire sources; maximum temperature rise of the ceiling