火源高度对倾斜隧道内烟雾传输的影响：缩比实验、协同作用机制及预测模型的改进

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Fire source elevation effects on smoke transport in inclined tunnels: scaled experiments, synergistic mechanisms, and predictive model enhancements

烟羽状态与火源高度对斜坡隧道火灾烟雾回流的影响研究。通过缩尺实验系统分析火源高度、隧道坡度及热释放率对诱导空气流速和烟雾回流长度的综合作用机制，建立包含火源高度修正因子的预测模型，验证其在不同火源高度场景下的准确性，为城市斜坡隧道火灾排烟策略优化提供理论支撑。

　　在现代城市交通体系中，地下隧道作为一种重要的交通基础设施，其安全设计与运营保障显得尤为重要。随着城市化进程的加快和经济的持续发展，地面交通的局限性逐渐显现，例如土地资源紧张和主干道的交通拥堵问题。这促使了城市地下隧道的迅速发展，尤其是在高密度交通区域，地下隧道能够有效缓解地面交通压力。然而，随着隧道数量的增加，其火灾风险也随之上升。特别是对于倾斜隧道，由于其结构特性，火灾发生时烟气的流动模式与水平隧道存在显著差异，进而对人员疏散、消防救援以及烟气控制策略产生深远影响。

倾斜隧道的火灾现象涉及到复杂的烟气动力学过程，其中烟气流动、烟气回流以及空气流入等行为是决定火灾后果的关键因素。现有的研究多集中于水平隧道的烟气流动特性，对倾斜隧道中因火灾源高度不同而导致的烟气行为变化关注不足。这种研究的局限性可能导致在实际应用中对烟气控制策略的制定缺乏科学依据，从而增加火灾发生时的人员伤亡风险和财产损失。

火灾源高度的差异通常由车辆类型不同所引起。例如，小型轿车、SUV（运动型多用途车）、轻型卡车等，其底盘高度、燃料系统配置以及可燃物分布均存在显著差异，这些差异会直接影响火灾源在隧道内的实际位置。这种位置变化不仅改变了烟气的初始发展形态，还可能影响烟气的流动方向、速度以及回流长度等关键参数。因此，对火灾源高度对烟气流动的影响机制进行系统研究，具有重要的现实意义。

在倾斜隧道火灾中，烟气流动受到隧道坡度、火灾源高度、热释放率（HRR）以及隧道结构等多种因素的综合影响。其中，隧道坡度产生的烟囱效应（stack effect）是主导烟气流动的核心机制。当火灾发生时，由于隧道内温度升高，与外界环境形成显著的温度差，这种温差会推动烟气向隧道的上部或下部移动。在倾斜隧道中，这种移动方向与坡度密切相关，通常表现为烟气向高处或低处流动，进而形成烟气回流或烟气堆积的现象。

研究表明，烟气回流长度（smoke back-layering length）是衡量火灾风险的重要指标之一。它不仅影响隧道内烟气的分布，还直接关系到人员疏散的可行性。在水平隧道中，烟气回流长度主要受到纵向通风的影响，而在倾斜隧道中，坡度产生的烟囱效应则成为主导因素。因此，如何准确预测烟气回流长度，并据此制定有效的烟气控制策略，成为当前研究的热点。

同时，空气流入速度（induced air inflow velocity）也是影响烟气流动的重要参数。空气流入速度的增加有助于稀释烟气，减少烟气浓度，从而降低对人员的危害。然而，空气流入速度的大小不仅取决于火灾源高度，还受到热释放率、隧道坡度以及隧道结构的影响。例如，热释放率的增加会提高隧道内的温度梯度，进而增强烟囱效应，从而导致空气流入速度的提升。而隧道坡度的变化则可能改变空气流入的方向和速度，使其在某些情况下表现出非线性的变化趋势。

现有的研究在探讨倾斜隧道火灾时，往往采用简化的地面火灾源假设，忽略了火灾源高度变化对烟气流动的影响。这种假设在一定程度上简化了研究过程，但也可能导致对实际火灾场景的模拟不够准确。尤其是在城市交通隧道中，由于车辆类型多样，火灾源高度存在较大变化，这种简化的模型可能无法全面反映烟气流动的复杂性。因此，有必要通过实验研究，系统分析火灾源高度对烟气流动的影响机制，从而建立更加科学和实用的预测模型。

在实验设计方面，本研究采用小规模实验的方法，通过模拟不同火灾源高度下的烟气流动过程，获取关键参数的变化规律。实验过程中，研究人员分别考察了火灾源高度、烟气羽流状态、热释放率以及隧道坡度等因素对空气流入速度和烟气回流长度的影响。通过对实验数据的分析，研究团队揭示了这些因素之间的内在关联，并进一步提出了修正后的预测模型，以提高模型在不同火灾源高度情况下的适用性。

实验结果表明，火灾源高度对空气流入速度和烟气回流长度均存在显著的负相关关系。随着火灾源高度的增加，空气流入速度和烟气回流长度均呈现出下降趋势。然而，这种影响并非线性变化，而是随着隧道坡度的增加而逐渐减弱。这意味着，在高坡度的倾斜隧道中，火灾源高度对烟气流动的影响相对较小，而其他因素如热释放率则可能发挥更为重要的作用。

此外，热释放率的增加会显著增强空气流入速度，特别是在坡度较大的情况下，这种增强效果更为明显。热释放率的提升不仅增加了隧道内的温度差异，还强化了烟囱效应，从而推动更多的空气流入隧道。然而，热释放率对烟气回流长度的影响则表现出一定的复杂性。在低坡度的倾斜隧道中，热释放率的增加会导致烟气回流长度的显著增长，因为热对流效应占据主导地位。而在高坡度的倾斜隧道中，热释放率对烟气回流长度的影响则逐渐减弱，这可能是因为坡度带来的空气流动方向和速度变化，削弱了热对流效应的作用。

基于上述研究发现，本研究进一步构建了一个综合考虑火灾源高度、隧道坡度、热释放率等因素的预测模型。该模型通过引入火灾源高度修正因子，优化了原有模型的预测精度，使其能够更准确地反映不同火灾源高度情况下的烟气流动行为。模型的验证结果显示，其在不同火灾源高度的实验数据中表现出良好的一致性，表明该模型在实际应用中具有较高的可靠性。

本研究的成果不仅为倾斜隧道火灾的安全设计提供了科学依据，还为优化烟气控制策略提供了新的思路。通过深入分析火灾源高度对烟气流动的影响机制，研究团队揭示了在倾斜隧道中，如何通过调整火灾源高度、坡度以及通风系统等手段，有效控制烟气的扩散范围和回流长度。这些发现对于提升城市地下交通系统的火灾安全水平，具有重要的理论和实践价值。

在实际应用中，火灾源高度的差异可能导致烟气流动模式的变化，进而影响人员疏散和消防救援的效率。因此，针对不同车辆类型的火灾源高度进行分类研究，有助于制定更加精准的烟气控制措施。例如，在设计隧道通风系统时，可以考虑将火灾源高度纳入模型参数，以提高系统对不同类型火灾的适应能力。此外，对于隧道内的安全出口布局和疏散通道设计，也可以基于火灾源高度的影响规律，优化其位置和数量，以确保在火灾发生时，人员能够快速、安全地撤离。

本研究的局限性在于实验条件的简化，例如实验规模较小，可能无法完全模拟真实隧道中的复杂情况。因此，未来的研究可以进一步扩大实验规模，引入更多变量，如隧道长度、通风条件、外部环境因素等，以提高模型的适用性和预测精度。同时，结合数值模拟和现场实测数据，可以更全面地理解火灾源高度对烟气流动的影响机制，为隧道安全设计提供更加科学的指导。

综上所述，倾斜隧道火灾中的烟气流动行为受到多种因素的共同影响，其中火灾源高度是一个关键变量。通过系统实验研究，本研究揭示了火灾源高度对空气流入速度和烟气回流长度的影响规律，并据此提出了修正后的预测模型。这些研究成果为提升城市地下交通系统的火灾安全水平提供了重要的理论支持和实践依据，同时也为今后相关领域的研究指明了方向。