縱向通風下障礙物對隧道火災燃燒速率的影響研究

張波 陳麗霞 馬雋湫 賈天耀 李海航

摘要：采用模型隧道實驗的方法，研究不同縱向通風速度和障礙物距離下池火燃燒速率的變化規律。結果表明，在縱向通風的條件下，障礙物的距離為5cm時池火的燃燒速率最高。在障礙物距離一定時，池火的燃燒速率隨縱向通風速度增加而增加。障礙物距離在一定范圍內，池火的燃燒速率高于無障礙物的情況，而障礙物距離超出一定范圍時，池火燃燒速率與無障礙物的情況相差不大。障礙物的存在對池火燃燒速率的影響主要歸因于側壁輻射效應和氣流場的變化。縱向通風對池火燃燒的影響更為明顯。當障礙物距離改變時，氣流場會改變火焰的傾斜方向，進而改變側壁輻射效應。這些發現對于深入理解隧道火災特性、優化消防安全設計以及制定有效的火災防控措施具有一定的指導意義。

關鍵詞：縱向通風；燃燒速率；障礙物；輻射效應

中圖分類號：D631.6? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）12-0008-03

在實際情況下，火災發生時隧道內部可能存在車輛和貨物等障礙物，占據隧道橫截面較大的面積比例，障礙物會對隧道內部溫度分布、煙氣流動等火場參數產生影響。近年來，有些研究者開始探究障礙物對隧道火災的影響，其中阻塞比（障礙物橫向面積占據隧道橫截面的比例）是研究的關鍵參數。

黃有波等人[1]通過數值模擬研究了隧道阻塞比對臨界風速的影響，發現臨界風速隨著阻塞比的增加而減小，且當阻塞比達到一定值時，臨界風速不再減小。王君等人[2-3]通過實驗研究，得出了與黃有波等人類似的結論。Tang等人[4]發現煙層厚度更受縱向通風的影響，隨著風速增加而增大；存在車輛堵塞時的煙氣層厚度小于不存在車輛堵塞時的煙層厚度。關于隧道阻塞對臨界風速和煙氣層厚度的影響，丹麥理工大學[5]也得出了相似的結論。范夢琳等人[6]采用數值模擬研究了阻塞對煙氣溫度及逆流長度的影響，發現存在障礙物的情況下煙氣逆流長度隨著火源高度的升高而減小。

目前的研究主要探究的是阻塞對煙氣運動和臨界風速的影響，而缺乏障礙物對火源燃燒特性影響的研究。有障礙物的情況下，隧道內的氣流場與無障礙物的情況不同。障礙物會影響流場，而流場將直接影響火源的燃燒特性。因此，本文將對障礙物影響火源燃燒展開重點探究。

1 實驗設計

1.1? 模型隧道和障礙物

弗勞德相似準則被廣泛地用于研究火災的流動與傳熱問題[7-8]。本文根據弗勞德相似準則，設計隧道模型、障礙物。在實驗室內搭建了一個根據實際隧道以1：15的比例縮小的隧道模型。如圖1所示，隧道模型尺寸為0.4m（高）×0.4m（寬）×6m（長）。隧道頂棚、底面和后側側壁采用0.01m厚的玻鎂板制成，前側側壁采用透明防火玻璃。在隧道左側安裝了一臺可調速風機，并通過金屬網整流使得隧道內的流速均勻。障礙物則根據實際車輛縮小，尺寸為0.1m（高）×0.1m（寬）×0.25m（長），采用0.01m厚的玻鎂板拼接而成，具有較強的耐火性，可以有效阻礙隧道內風速的流動，起到模擬效果。

1.2? 實驗工況參數設計

實驗研究的內容為不同縱向通風風速下、改變障礙物與火源之間的距離，池火燃燒速率的變化規律。為了模擬實際隧道火災中車輛起火的情況，根據隧道比例采用12cm油盆進行實驗。實驗組別見表1，采用乙醇作為燃料。調節縱向風機頻率，使得隧道內的風速范圍為0～0.6m/s。調整障礙物與火源之間的距離范圍為5～60cm，并同時設計無障礙物的情況。在不同的工況下進行池火燃燒實驗，通過天平記錄質量損失速率。

2 結果與討論

2.1? 縱向通風條件下燃燒速率的變化

在縱向通風條件下，隧道內池火的燃燒速率隨障礙物距離變化見圖2。

從圖2可知，由于實驗使用的是導熱系數較高的鐵質油盆，在水平隧道內不存在障礙物的情況下，池火的燃燒速率依舊隨著風速的增大而遞增，與之前的結論相似。

在障礙物存在的情況下，不同障礙物距離下的池火燃燒速率變化趨勢基本相同。根據燃燒速率的變化趨勢，與無障礙物的情況下相比，可將其分為陡增和下降兩個階段。

2.1.1? 陡增階段

在縱向通風情況下，當障礙物的距離為5cm（障礙物近乎貼近油盆）時，與無障礙物的情況相比，池火的燃燒速率陡增，因為在障礙物貼近油盆時，火焰附著于障礙物，鐵質油盆吸收了更多的來自壁面（障礙物）的熱輻射，增加了熱反饋，進而增加了池火的燃燒速率。這種現象在Ji等人[9]的研究中稱為側壁輻射效應，與Fan等人[10]研究池火靠近側壁燃燒的實驗結果相似。

2.1.2? 下降階段

池火的燃燒速率在障礙物距離油盆5～60cm時處于下降段，主要是因為隨著距離的增加，側壁輻射效應減弱，進而降低了池火的燃燒速率。

隨著障礙物距離的增加，池火的燃燒速率整體均高于無障礙物的情況，這是因為障礙物的存在影響了隧道內的空氣流場。根據陳長坤等人[11]的研究發現，障礙物位于上游時，通過障礙物的紊亂氣流直接作用于燃燒區域，在火源與障礙物之間形成了氣流旋渦和回流，氣流加速了油盆內燃料的蒸發，進而促進了池火的燃燒。

圖3顯示了縱向通風風速為0.6m/s時池火燃燒速率的變化。可以看出，當障礙物與火源之間的距離大于60cm時，池火燃燒速率的下降趨勢大幅度放緩，逐漸接近無障礙物的情況，這主要是因為當距離過大時，障礙物與火源之間形成的氣流旋渦和回流基本無法影響到池火的燃燒，燃燒區域的氣流近乎水平，所以燃燒速率與無障礙物情況下近乎相同。

2.2? 無風條件下燃燒速率的變化

如圖4所示，在無風的情況下，池火的燃燒速率幾乎不受障礙物與池火距離的影響，僅在障礙物的距離為5cm（障礙物近乎貼近油盆）的情況下略微增長，而在此種工況下，火焰附著障礙物的情況并不明顯。由此可以得出，側壁輻射效應在縱向通風的情況下更為明顯，因為障礙物的存在而在火源與障礙物之間形成的氣流旋渦和回流，使得火焰向障礙物傾斜，導致了側壁輻射效應的增強，進而增加了池火的燃燒速率。

3 結論

本研究在隧道內通過改變縱向通風風速和障礙物與火源之間的距離，采用乙醇作為燃料，記錄并計算了不同工況下池火的燃燒速率，揭示了水平隧道內障礙物的存在對池火燃燒的影響。得到以下結論：

與無障礙物存在的情況下相比，障礙物的距離為5cm（障礙物近乎貼近油盆）時池火的燃燒速率陡增，隨著障礙物距離的增加，池火的燃燒速率呈現下降的趨勢。

在障礙物存在的情況下，池火燃燒速率的變化主要歸因于側壁輻射效應和氣流場的變化，氣流場改變了火焰的傾斜方向，進而改變了側壁輻射效應。所以縱向通風對池火燃燒的影響更為明顯。

池火的燃燒速率在障礙物距離為5～60cm時迅速降低，當障礙物距離大于60cm時，池火的燃燒速率幾乎不再降低。

參考文獻：

[1]黃有波，呂淑然，楊凱.火源功率與隧道阻塞比對臨界風速變化規律影響研究[J].中國安全生產科學技術，2015，11（8）：10-15.

[2]王君，趙蕾，齊江浩.阻塞效應下隧道火災臨界風速的模型試驗研究[J].安全與環境學報，2016，16（3）：62-68.

[3]王君，趙蕾.阻塞效應下隧道火災頂棚最高溫度的實驗分析[J].地下空間與工程學報，2016，12（6）：1524-1531.

[4]Tang F，He Q，Shi Q.Experimental study on thermal smoke layer thickness with various upstream blockage–fire distances in a longitudinal ventilated tunnel[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2017，170：141-148.

[5]李國輝.丹麥理工大學研究車輛堵塞在隧道縱向通風排煙控制中的影響[J].消防科學與技術，2016，35（12）：1679.

[6]范夢琳，李元洲.車輛阻塞效應下隧道火災煙氣溫度及煙氣逆流長度變化規律研究[J].火災科學，2017，26（1）：29-36.

[7]李立明.隧道火災煙氣的溫度特征與縱向通風控制研究[D].合肥：中國科學技術大學，2012.

[8]胡隆華，彭偉，楊瑞新.隧道火災動力學與防治技術基礎[M].北京：科學出版社，2014.

[9]Ji J，Fu Y，Li K，et al.Experimental study on behavior of sidewall fires at varying height in a corridor-like structure[J].Proceedings of the Combustion Institute，2015，35（3）：2639-2646.

[10]Fan C G，Ji J，Li Y Z，et al.Experimental study of sidewall effect on flame characteristics of heptane pool fires with different aspect ratios and orientations in a channel[J].Proceedings of the Combustion Institute，2017，36（2）：3121-3129.

[11]陳長坤，王瑋玉，史聰靈，等.隧道內通風及障礙物對甲醇蒸氣擴散的影響分析[J].中國安全生產科學技術，2017，13（3）：124-130.

Influence of obstacles on the burning rate of tunnel fire under longitudinal ventilation

Zhang Bo1， Chen Lixia2， Ma Junqiu2， Jia Tianyao2， Li Haihang3

（1. Hangzhou Metro Group Co.， Ltd.， Zhejiang Hangzhou 310000; 2. Zhejiang Academy of Emergency Management Sciences， Zhejiang Hangzhou 310000; 3. School of Quality and Safety Engineering， China Jiliang University， Zhejiang Hangzhou 310018）

AbstraCt： Using the method of model tunnel experiment， the change law of pool fire burning rate under different longitudinal ventilation speeds and obstacle distances is studied. The results show that under the condition of longitudinal ventilation， the burning rate of pool fire is the highest when the distance of obstacles is 5 cm. When the obstacle distance is constant， the burning rate of pool fire increases with the increase of longitudinal ventilation speed. When the obstacle distance is within a certain range， the burning rate of pool fire is higher than that of unobstructed objects. When the obstacle distance exceeds a certain range， the burning rate of pool fire is not much different from that of unobstructed objects. The influence of the existence of obstacles on the burning rate of pool fire is mainly attributed to the side wall radiation effect and the change of airflow field. The influence of longitudinal ventilation on pool fire combustion is more obvious. When the obstacle distance changes， the airflow field will change the inclination direction of the flame， and then change the side wall radiation effect. These findings have certain guiding significance for in-depth understanding of tunnel fire characteristics， optimizing fire safety design and formulating effective fire prevention and control measures.

Keywords： longitudinal ventilation; burning rate; obstacle; radiation effect