纵向与横向混合通风对隧道内氢气喷射火灾特性的影响

《Process Safety and Environmental Protection》：Influence of longitudinal and transverse hybrid ventilation on hydrogen jet fire characteristics in tunnels

氢气泄漏在隧道中引发喷射火焰的特性及其通风控制策略研究。采用CFD模型模拟多竖井隧道氢气喷射火焰，分析纵向与横向通风组合对火焰形态、温度分布及临界风速的影响，提出融合预测通风速度的混合通风策略，有效抑制高温区域回燃并优化救援环境。

　　隧道是现代交通网络中的关键组成部分，为车辆提供了高效便捷的通行通道。然而，氢气泄漏带来的安全隐患不容忽视。氢气具有独特的物理特性，一旦发生氢气燃料车辆的火灾，不仅可能对隧道的正常运行造成严重干扰，还可能危及人员安全和周围环境。因此，研究氢气喷射火灾在隧道中的影响，尤其是通风方式对火焰行为和温度分布的作用，显得尤为重要。

在本研究中，我们开发了一个计算流体力学（CFD）模型，用于模拟具有多个竖井的隧道内氢气喷射火灾的情况。通过该模型，我们分析了不同通风策略对氢气火焰行为的影响，并提出了一种结合预测通风速度模型的混合通风策略。研究结果表明，单一通风系统虽然在某些方面具有优势，但无法完全消除氢气喷射火灾带来的危险。传统的混合通风系统由于纵向和横向通风之间的相互干扰，甚至可能加剧这些危险。模拟结果显示，将纵向通风与下游横向通风相结合的混合通风系统能够有效控制隧道内高温区域的分布、温度水平以及关键的纵向通风速度。

在氢气喷射火灾发生时，启动纵向通风系统和下游横向通风能够稳定并降低隧道内的温度，从而创造一个安全的上游救援环境。如果泄漏源位于某个竖井的正下方，那么仅依靠横向通风便可以将氢气喷射火焰限制在泄漏源与竖井之间。这种策略不仅有助于减少火灾的蔓延，还能有效控制高温区域的扩散，提高隧道在火灾情况下的安全性。

本研究的意义在于，针对氢气喷射火灾在隧道中的影响，提出了一个更为全面的通风解决方案。传统研究多关注单一通风系统对火灾特性的影响，而本研究则首次系统性地探讨了如何通过混合通风策略同时应对火焰回流和下游热分层的问题。这种综合性的通风策略不仅有助于提高隧道在氢气火灾情况下的安全性能，还能为未来氢能源运输和隧道安全管理提供重要的理论支持和技术指导。

研究过程中，我们使用了CFD模型来模拟氢气喷射火灾在隧道中的发展情况。该模型基于实验数据进行验证，确保了其在实际应用中的准确性。模型的参数设置包括隧道长度、横截面尺寸、泄漏口直径、竖井直径以及竖井间距等，这些参数均与真实隧道的比例为1:20。模拟过程中，我们考虑了氢气喷射火灾在不同通风条件下的行为变化，特别是不同通风速度对火焰形态和温度分布的影响。

在模拟结果中，我们发现，当纵向通风速度较低时，火焰回流现象会更加明显，导致泄漏源上游区域的温度升高，这不仅增加了火灾的危险性，还可能影响隧道内的人员疏散和救援。相反，当纵向通风速度较高时，火焰回流现象会受到抑制，高温区域的扩散也会相应减少。此外，我们还发现，横向通风在一定程度上可以有效控制火焰的扩散范围，特别是在泄漏源位于竖井正下方的情况下，横向通风能够将火焰限制在泄漏源与竖井之间，从而减少对隧道其他区域的影响。

本研究还分析了不同通风策略对火焰形态和温度分布的影响。我们发现，混合通风系统能够更好地控制火焰的形态和温度分布，相较于单一通风系统，混合通风系统在应对氢气喷射火灾方面具有更大的优势。同时，我们提出了一种基于预测模型的混合通风策略，该策略能够根据氢气泄漏的实际情况，动态调整通风速度，从而更有效地控制火灾的发展。

研究还指出，隧道的结构特点，如低天花板和狭窄的纵向结构，使得其更容易成为受限空间。在这种空间中，氢气泄漏引发的喷射火灾更容易造成严重的后果。因此，研究氢气喷射火灾在隧道中的影响，不仅需要考虑通风方式，还需要结合隧道的结构特点进行综合分析。

此外，研究还分析了不同热释放率对火焰行为的影响。我们发现，热释放率的增加会导致火焰的形态和温度分布发生变化，特别是在高热释放率的情况下，火焰的扩散范围和高温区域的形成会更加明显。因此，在设计通风系统时，需要综合考虑热释放率、通风速度以及泄漏源的位置等因素，以确保通风系统的有效性。

在实验和模拟过程中，我们还发现，隧道的坡度对通风系统的效果具有一定的影响。当隧道的坡度增加时，热空气的上升和冷空气的下沉会更加明显，这有助于减少火焰回流和高温区域的形成。因此，在设计通风系统时，需要考虑隧道的坡度因素，以优化通风效果。

综上所述，本研究通过建立氢气喷射火灾的CFD模型，分析了不同通风策略对火焰行为和温度分布的影响，提出了结合预测模型的混合通风策略。研究结果表明，混合通风系统在应对氢气喷射火灾方面具有更大的优势，能够有效控制火焰的形态、温度分布以及关键的通风速度。这一研究成果不仅为隧道安全管理提供了新的思路，也为未来氢能源运输和隧道火灾防控提供了重要的理论支持和技术指导。