In tunnel fire, smoke is a great threat to successful emergency escapes, and its spreading patterns at high altitude tunnel may differ. Therefore, the impact of ambient pressure on the stability of smoke layers and maximum smoke temperature under ceiling in ventilated tunnels were investigated in this study. Results show that the temperature of smoke layer is negatively correlated with the longitudinal velocity and ambient pressure. Besides, the influence of longitudinal velocity at different ambient pressures on the shear velocity between the smoke and air layers was further studied. Using Richardson number (Ri) and Froude number (Fr), smoke flow can be classified into three patterns, namely stable and obvious smoke stratification (Ri>3.2 or Fr < 0.38), a stable smoke layer but with blurred interface (2.3 < Ri < 3.2 or 0.38 < Fr < 0.53) and a completely unstable smoke stratification (Ri < 2.3 or Fr > 0.53). Furthermore, a model has been developed to predict maximum smoke temperature under the tunnel ceiling, which agrees well with previous studies at standard atmospheric pressure. The results of the present work provide information for tunnel structure protection and safe evacuation in fire accidents at different ambient pressures.

The effects of parallel curtain walls on the characteristics and mass loss rate of the upward flame spread over polymethyl methacrylate (PMMA) have been experimentally studied. The experimental research variables were the sample size and separation distance of the curtain wall. In the experimental setup, a PMMA plate was attached to one of the curtain walls. The results were analyzed to assess the effect of the curtain wall separation distance on the flame height. The special condition of two curtain walls with only a small distance between them was also analyzed. Analysis of experiments with systematically varied distances between the curtain walls has provided insight into factors such as air entrainment and the chimney effect. The results show the flame height evolution trend with the separation distance, and a new correlation to predict the global mass loss rate of the PMMA plate under the influence of parallel curtain walls, which can potentially be used in curtain wall design through optimization of the separation distance given fire safety requirements and practical needs. Graphical Abstract: [Figure not available: see fulltext.]. © 2021, The Author(s), under exclusive licence to Springer Science+Business Media, LLC, part of Springer Nature.

近年来,随着我国高速公路建设迅猛发展,修建了大量隧道。隧道在方便人们出行与促进经济社会发展的同时,也伴随大量隧道运营安全事故的发生,尤其是容易造成群死群伤的隧道火灾事故,数据表明,隧道内火灾现场出事者大多是被烟雾熏死,在隧道火灾初期,如何有效控制烟气流动和维持烟气层稳定对隧道内人员疏散具有重要研究意义。《交通运输部交通运输科技“十三五”规划》重点提出,围绕提高安全风险防控和突发事件应对能力、较大幅度降低人员伤亡和经济损失等目标,开展交通运输系统安全、基础设施安全、运输组织安全和应急保障等方面的共性关键技术研究,重点突破长大隧道运行安全、轨道交通运营安全保障等关键技术瓶颈,不断提升交通运输安全生产水平,为打造平安交通提供技术支撑。前人对于隧道火灾的研究大多是针对自由火源情况开展的,本论文聚焦于隧道火灾事故中车厢溢出火羽流诱导的烟气流动和分层稳定性研究。在纵向通风隧道中进行了一系列小尺寸实验,研究了纵向通风作用下车厢溢出火羽流临界溢出规律,火焰形态,抑制隧道烟气逆流时的临界控制风速、限制风速以及溢流火诱导的隧道顶棚烟气分层稳定性以及集中排烟和纵向风耦合作用下的隧道顶棚烟气温度分布情况,主要研究内容如下:本文通过一系列小尺寸模型隧道实验,研究了纵向通风隧道内车厢火溢流的临界溢出演化特征。研究发现,当车厢开口背风时,隧道内车厢火溢流的临界溢出功率只与开口的通风因子有关,而与纵向风速大小无关。并将上下临界功率与开放空间内的理论溢出所需功率值进行对比,发现隧道内车厢临界溢出上下临界所需的溢出功率均比理论溢出所需功率值大。当隧道内车厢溢流火进一步发展为车厢腔室外持续燃烧时,分析了其火焰形态随着纵向风速的演化特征,建立了火焰高度和水平长度与纵向风速之间的无量纲关系模型,该模型预测值与实验结果较为吻合。本文研究了隧道内车厢火溢流诱导的顶棚烟气临界控制风速与逆流长度特征规律。研究发现,在隧道内的火源功率较小时,临界风速随着火源功率的增加而增大,当火源功率继续增大到一定值时,临界风速不再随之改变。而对于逆流长度来说,当纵向风速较小时,逆流长度对于纵向风速较为敏感,随着风速的增大其减小的速度较快,而当逆流长度减小到接近火源位置的时候,其对于风速的变化不再敏感,这个转折点所在的控制风速被称为“限制风速”。与此同时,建立了隧道内车厢溢流火诱导的临界风速、逆流长度与“限制风速”的无量纲演化模型。揭示了隧道内车厢火溢流诱导的烟气分层稳定性特征。实验用激光片光源对隧道内烟气进行拍摄,用于捕捉烟气分层形态特征,并将其与基于速度剪切及温度竖向温度分布所得的Fr数进行关联,提出了车厢溢流火诱导的烟气分层稳定性判据。研究了纵向风与集中排烟耦合情况下的隧道顶棚烟气温度分布演化特征。研究发现,随着纵向风速的增大,隧道上游烟气温度衰减较下游快,而且集中排烟对于隧道上游温度有着较大的影响。提出了纵向风与集中排烟耦合情况下温度衰减因子,建立了描述隧道顶棚上下游烟气层温度分布的预测模型,该模型的相关性较好。

新世纪以来,交通运输行业事业随着我国经济体量的增长得到了迅速的发展。隧道在山区、过江、跨海等公路以及铁路运输中发挥着越来越重要的作用。随之带来的是隧道安全运营问题不可忽视,由于隧道是一种狭长和相对封闭的空间结构,一旦隧道发生火灾事故,容易造成大量的人员伤亡以及严重的财产损失后果。隧道内纵向通风系统在控制烟羽流蔓延、维持隧道内应急通风排烟环境方面具有重要作用。本文主要针对纵向通风隧道内车厢火灾溢出行为及其阻塞情况下烟气演化机制开展深究。首先将从隧道内车厢内部发生初期火灾作为研究的起点,通过理论分析、缩尺寸隧道火灾实验相结合的方法,研究了纵向通风隧道内车厢火灾溢流时临界态特征、火焰形态参数以及车辆阻塞下的隧道内烟气层厚度演化特征;弄清和揭示了纵向通风隧道内车辆初期火灾燃烧和烟气运动特征,对于隧道内防排烟设计提供理论参考。本文主要研究内容如下:本文首先通过实验开展了纵向风作用下不同车厢开口下车厢溢流临界态特征行为研究。研究发现,车厢腔室内的温度随着火源功率的增加先增大后减小,最后保持不变。同时临界溢出所需的火源功率随着隧道内车厢开口通风因子的增加而增大,随着纵向风速的增大而减小。建立了它们之间的无量纲演化关系模型,且该模型的相关性较好。其次,通过实验和理论分析揭示了不同纵向风作用下隧道内车厢溢出火焰高度以及溢出火焰水平长度的演化机制。研究发现,在相同车厢开口通风因子下,车厢溢出火焰高度随着隧道内纵向风的增大先增大后保持不变,火焰水平拓展长度随着纵向风的增大先增大后减小,最后随着车厢开口外部溢流火焰的吹熄,火焰高度以及火焰水平长度都减小为零。本文基于物理模型,给出了适用于车厢溢流条件下的Froude数表达式,根据隧道内纵向通风惯性力和车厢火灾溢流的燃烧热浮力之间耦合竞争机制,量化表征了纵向通风隧道内车厢溢出火焰高度、火焰水平长度演化特征,呈现分段函数变化关系;最终建立了纵向通风隧道内车厢溢流火焰高度、车厢溢流火焰水平长度与Froude数之间的无量纲关系表述模型。最后开展了纵向通风隧道内不同车辆阻塞距离情况下的一维羽流区域内烟气层厚度演化特征的研究。研究发现,在车辆阻塞距离不变时,隧道内烟气层厚度随纵向风速度的增加而减小。纵向风不变时,烟气层厚度随阻塞距离的增加而减小。

“十四五”规划中专门提出要建设现代化综合交通运输体系,推进各种运输方式一体化融合发展,提高网络效应和运营效率。然而,中国的地形是多山岭和重丘,约占全国2/3。在建设高等级公路与铁路的过程中,为了减少里程、节约能源,不可避免地要修建大量的隧道。隧道的建设无疑给人们的出行带来了极大的便利,但同时也带来了隧道的安全问题,尤其是隧道火灾问题。以往国内外学者针对交通隧道火灾研究,大都默认隧道内同一时间仅发生一处火灾,但由于引燃或者碰撞等因素隧道内有时候会发相邻两处或者多处火灾的发生,其火灾特征和隧道排烟控制机制有待进一步研究。因此,本学位论文主要立足于交通隧道多火源情况下安全问题,通过开展缩尺寸隧道模型实验和理论分析,对隧道内相邻双火源之间燃烧相互作用、火灾燃烧特性、烟气蔓延扩散规律和排烟控制特征进行了分析和研究,为交通隧道内多火源火灾情况下的防排烟设计提供理论参考。本文主要研究内容如下:本文首先通过实验开展了有无纵向通风作用下相邻双火源燃烧速率、火焰形态以及融合合并特征,主要考虑了不同火源分隔间距、风速大小和火源形状（长宽比）等变量。研究发现,针对纵向风作用下的交通隧道内双火源火灾,燃料质量燃烧速率呈现为非单调演化行为,随相邻火源之间的分隔距离增大,燃料质量损失速率在达到临界点后再呈现随分离距离减小的趋势。本文基于燃烧静止层理论,提出了一种新的模型,用于表征纵向风作用下相邻火源的质量损失速率的演化,该模型还可以描述以往的单火源和无纵向风作用下的相邻火源的燃料质量损失规律。随着相邻火源分隔距离和纵向风的增大,相邻火源火焰的融合合并特征可分为三种状态,本文通过量纲分析,建立了相邻火源火焰融合概率的分段线性表征函数。对于火焰形态,本文根据空气卷吸理论,基于本文提出的一种新的无风条件下相邻火源火焰高度表征模型,并结合Fr,建立了有纵向通风纵向风作用下相邻火源火焰高度与火源分隔间距的表征模型。其次,本文通过交通隧道模型实验和理论分析,揭示了自然通风下交通隧道内双火源情况下隧道顶棚烟气蔓延特征规律。研究发现,针对上游火源热释放速率与两个火源总火源热释放速率比值在相同的条件下,交通隧道顶棚下的最高温升随着相邻火源分隔间距的增大而逐渐减小。在相同相邻火源分隔间距条件下,随着隧道内上游火源热释放速率与两个火源总火源热释放速率比值的增大,隧道顶棚最高温升呈现出先减小后增大的非单调演化趋势。本文基于量纲分析,提出了交通隧道相邻火源情况下隧道顶棚最大温升演化模型,该模型包含无量纲火源功率、相邻单体火源功率与总火源功率比值和火源分隔间距等参数最后,本文针对隧道内相邻火源情况下火灾烟气排烟控制行为进行了研究。研究发现:在一定的火源热释放速率下,及交通隧道内排烟控制所需的临界通风速率随相邻火源分隔间距的增大而减小,相邻火源分隔距离对隧道内临界纵向通风速率的影响随着火源热释放速率的增大而减小。最后本文在量纲分析基础上,建立了考虑相邻火源分隔间距等因素情况下隧道排烟控制所需的临界通风速率无量纲表征模型,该模型可以很好描述实验结果以及预测以往隧道火灾的实验数据和FDS模拟结果,其模型可靠性较高。

近年来,城市地下空间利用在不断地扩大,交通隧道、地铁、地下通道等数量不断地增多,随之而来的安全问题也引起了广泛的关注,其中火灾安全问题与其密切相关。国内外关于狭长受限空间内火羽流特征进行了大量研究,但对于狭长隧道受限空间内贴壁受限火羽流顶棚射流行为特征及排烟控制研究较少。对于狭长空间内贴壁燃烧火羽流,由于隧道侧壁对火羽流卷吸产生限制,其火羽流特性,包括羽流温升,热流,火焰形态和烟气控制等特征与在空旷空间发生的火羽流不尽相同。本文通过理论和实验研究,分析和揭示了隧道内贴壁受限火羽流顶棚射流行为特征及排烟控制规律,具体研究内容如下:本文首先对隧道内不同矩形燃烧器形成的贴壁受限火羽流情况下顶棚温度特征参数演化规律展开了实验研究。研究发现:在一定的火源功率和火源与隧道顶棚间距下,隧道顶棚下方横向温度随着距离隧道侧壁的横向距离的增大而减小,随着矩形燃烧器长宽比增大而逐渐增大。本文定义了一个新特征直径,并用来描述隧道顶棚横向火焰拓展长度特征,建立了隧道顶棚下方火焰扩展无量纲模型。同时提出了隧道内贴壁受限火羽流情况下顶棚横向温升表征模型,模型主要影响因素包括矩形火源的特征直径和无量纲火源功率。其次,本文研究了隧道内考虑不同矩形火源情况下贴壁受限火羽流诱导的热流特征参数演化规律。研究发现:矩形火源长宽比较大情况下贴壁受限火羽流诱导的顶棚射流与以往文献中有明显不同（一般采用方形火源）。对于隧道内方形火源,隧道顶棚下的总热流分布随着火源功率的增大而增大,而随着与隧道侧墙距离的增大而减小。对于不同形状的矩形贴壁受限火羽流,随着火源长宽比的增加,隧道顶棚下方的总热流逐渐增大。提出了不同矩形火源情况下贴壁受限火羽流诱导的隧道顶棚下方热流分布表征模型。利用温度数据绘制了温度场图,并与热流分布特征规律进行了对比,验证了热流分布的实验结果。最后,对隧道内贴壁受限火羽流情况下的排烟控制展开了研究。研究发现,贴壁受限火羽流和自由火源在不同排烟模式下烟气特性有明显不同。对于顶棚/侧向集中排烟,隧道内贴壁受限火羽流的排烟效率随着排烟流量的增大而增大;在达到“吸穿”流量时,隧道排烟效率会出现忽然下降,然后随着排烟流量的增大继续增大。对比于顶棚集中排烟,侧向集中排烟临界Froude数略大,这是由于侧向排烟口设置在紧靠隧道侧壁,由于壁面的反馈作用,侧向集中排烟竖向烟气温度要高于顶棚集中排烟,从而使侧向集中排烟口温升较高,导致在相同条件下,侧向集中排烟效率低于顶棚集中排烟,而Froude数高于顶棚集中排烟。

近年来交通运输行业的迅猛发展,跨海过江隧道不断涌现,极大地提高了人们出行和运输效率,随之而来的是隧道安全运营问题,尤其是隧道火灾危害大、疏散救援困难极易引发重大人员伤亡和经济损失。“十三五”现代综合交通运输体系发展规划中明确提出了长大隧道运行安全应急领域的重点研发方向,而针对跨海过江隧道防排烟设计仍未形成系统性指导规范,因此本学位论文主要以跨海过江隧道火灾工况下的侧向排烟控制为研究对象,通过开展缩尺寸隧道火灾实验和理论分析,对纵向通风与侧向集中排烟协同作用下隧道火灾发展、烟气层扩散规律和烟气控制进行了分析和研究,为大量跨海过江隧道火灾工况下的防排烟设计提供参考借鉴。本文主要研究内容如下:本文首先通过实验对隧道火羽流诱导的顶棚热流和地面热流特征参数演化规律进行研究。研究发现顶棚热流和地面热流都随距火源的纵向距离的增加而不断衰减,通过量纲分析建立了顶棚热流和地面热流分布预测公式;纵向通风速度的出现会导致最大顶棚热流的减小,通过理论分析分别建立了强弱羽流诱导下的顶棚最大热流预测公式。其次,本文研究了纵向通风和侧向集中排烟协同作用对隧道火灾烟气热分层的影响,提出烟气分层稳定性临界判据。研究发现,隧道内部上层烟气与下层空气之间的剪切强度随侧向集中排烟风速的增加而减小,对稳定烟气分层的维持具有积极作用,同时通过弗洛德数（Fr）对火灾烟气分层稳定性进行了定量描述:当Fr（27）0.6时,烟气分层稳定,分界面光滑清晰;当0.6?Fr（27）0.85时,界面变得模糊并出现漩涡,但总体上可以维持烟气的稳定分层;当Fr?0.85时,无明显烟气分层现象,烟气热稳定性被破坏。最后对侧向集中排烟与纵向通风协同作用下隧道火灾烟气逆流行为展开研究,分析该协同作用下的隧道烟气逆流长度和临界风速的演变规律。结果表明在限制风速之前烟气逆流长度基本随侧向集中排烟风速的增加而呈现减小的趋势,但在限制风速之后,由于侧向排烟口的抽吸力、纵向通风惯性力以及火源燃烧热浮力之间的相互作用,导致隧道火灾的烟气逆流长度随侧向集中排烟风速的增加而呈现明显增加的趋势,同时临界风速也随着侧向集中排烟风速的增加而呈现增加的变化趋势,通过理论分析建立了侧向集中排烟与纵向通风协同作用下隧道火灾临界风速预测模型。