《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Numerical and Experimental study on smoke exhaust and downdraught in a naturally ventilated highway tunnel with Vertical shafts under environmental wind
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摘要环境风可以显著改变自然通风高速公路隧道中烟雾的流动，这些隧道具有垂直井道。然而，环境风对井道烟雾排放和下降气流产生的影响仍然了解不足。本研究通过数值模拟和缩比实验，探讨了自然通风高速公路隧道在环境风作用下的烟雾排放特性，考虑了风速、井道尺寸和火灾热释放率（HRR）的影响。结果
摘要
环境风可以显著改变自然通风高速公路隧道中烟雾的流动，这些隧道具有垂直井道。然而，环境风对井道烟雾排放和下降气流产生的影响仍然了解不足。本研究通过数值模拟和缩比实验，探讨了自然通风高速公路隧道在环境风作用下的烟雾排放特性，考虑了风速、井道尺寸和火灾热释放率（HRR）的影响。结果表明，井道内的烟雾流动行为可以分为四个阶段：堵塞阶段、稳定烟雾层阶段、不稳定下降气流阶段和完全下降气流阶段。与下降气流开始相对应的风速被称为临界环境风速（CEWS）。CEWS随井道高度和HRR的增加而增加，但随井道横截面积的增加而减少。对于给定的井道内部动态压力，较小的井道纵横比会导致较低的CEWS，因此更有可能产生下降气流。进一步分析表明，烟雾流动阶段之间的转换主要由环境风引起的动态压力与无风条件下井道内部动态压力之比决定。基于理论分析和模拟结果，开发了一个预测CEWS的模型，并通过缩比实验进行了验证。这些发现提高了对环境风与井道烟雾排放之间相互作用的理解，为自然通风高速公路隧道的设计和安全评估提供了实际指导。
引言
烟雾控制在高速公路隧道消防安全中是一个关键问题，因为烟雾的传播会严重影响疏散情况、救援操作和火灾后果。在自然通风的高速公路隧道中，通常使用垂直井道通过浮力驱动的流动来排出烟雾。全尺寸实验已经证明，基于井道的自然通风可以在隧道火灾期间提供有效的烟雾控制（Guo等人，2020年；Zhou等人，2025年；Zhang等人，2024年）。然而，由于垂直井道直接与外部环境相连，其烟雾排放性能可能会受到环境风的显著影响。在不利的风条件下，井道排放会减弱甚至逆转，导致烟雾下降气流，从而降低隧道火灾的安全性。在极端天气条件下，这个问题可能会更加突出。因此，研究不同环境风条件下垂直井道的烟雾排放行为对于自然通风高速公路隧道的设计和安全评估非常重要。
以往关于自然通风隧道火灾的研究通常假设外部环境条件是稳定的，并主要关注隧道内部参数和垂直井道配置对烟雾排放性能的影响。研究的参数包括井道纵横比、高度、 inclination angle（倾斜角度）、横截面积和几何形状（Ji等人，2013年；Ji等人，2014年；Zhao等人，2019年；Yao等人，2017年；Xie等人，2018年）。关于外部环境条件的变化，研究主要集中在海拔和大气压力的变化上（Gao等人，2024a年；Wang等人，2024年）。近年来，一些研究人员开始研究外部气候条件的变化对隧道火灾的影响。Luan等人（2025年）进行了缩比实验，研究了大雨对一端封闭的隧道内火灾的影响。他们的结果表明，大雨条件增强了池火的燃烧效率，污染了隧道内部空气，阻碍了烟雾排放，并显著增加了火灾危险。Li等人（2025年）研究了隧道内环境风对超长隧道火灾中横向温度分布和烟雾回层的影响。Yang等人（2021年）进行了缩比实验，研究了峡谷横风对隧道内烟雾热分层的影响。Fan等人（2017年、2018年）分析了纵向环境风对井道烟雾排放性能的影响，发现环境风既有促进也有抑制烟雾排放的两种作用。在此基础上，Wu等人（2025a年）发现强烈的环境风会显著降低井道烟雾排烟能力，甚至引发烟雾下降气流。然而，下降气流开始的控制机制以及环境风条件下井道几何形状和火灾热释放率（HRR）的影响仍然不够清楚。目前还缺乏一种实用的预测方法来确定下降气流开始的临界风速。
下降气流现象一直是隧道火灾研究中的核心主题。最初由Yan等人（2009年）和Wang等人（2009年）在南京玄门隧道进行的全尺寸实验中观察到。它指的是火灾初期阶段，烟雾的动态压力低于通过隧道井道上部开口进入的空气的动态压力，导致几秒钟内烟雾逆流。后来，Fan等人（2018年）也通过数值模拟在火灾初期阶段发现了这一现象：在恒定火源功率下，下降气流的持续时间随环境风速的增加而延长。具体来说，当环境风速分别为3 m/s、5 m/s和7 m/s时，下降气流分别持续了25秒、40秒和50秒（HRR = 3 MW）。因此，可以合理推测，当环境风速足够高，且井道引起的抬升效应不足以抵消向下气流的不利影响时，可能会发生持续的下降气流。在极端风条件下，下降气流不仅限于火灾初期阶段。这种行为可能会严重威胁隧道内人员的疏散和安全。因此，需要进一步深入研究这一现象。
因此，本研究通过理论分析、数值模拟和缩比实验，研究了自然通风高速公路隧道在环境风作用下的烟雾排放特性。系统地研究了环境风速、井道几何形状和火灾HRR对烟雾流动阶段和下降气流开始的影响。在本研究中，井道烟雾排放进入不稳定下降气流阶段的最小环境风速被称为临界环境风速（CEWS）。该控制机制被分析为环境风引起的动态压力与由浮力驱动的烟雾流动产生的井道内部动态压力之间的竞争。在此基础上，开发了一个预测CEWS的模型，并通过缩比实验数据进行了验证。所提出的半经验相关关系为所研究参数范围内的CEWS提供了初步的工程估计。
章节片段
理论分析
在自然通风井道隧道中的火灾中，由火灾产生的热烟雾通过浮力上升，这种浮力是由温度差异引起的。当水平风吹过井道开口时，会出现两种不同的情况。图1展示了在不同环境风条件下井道内部的流场。在弱环境风条件下，井道开口上的横流可能会降低出口附近的平均压力
数值模拟场景设计
如图2所示，使用Fire Dynamics Simulator建立了南京玄门隧道的全尺寸数值模型。隧道尺寸为12米×6米×84米（宽度×高度×长度），垂直井道位于隧道天花板的一侧。本研究采用了大涡模拟（LES）来模拟环境风作用下的隧道-井道系统中的烟雾流动。考虑了三种规定的火灾HRR，分别为3 MW、5 MW和8 MW。
垂直井道烟雾排放阶段的分类
先前的研究表明，环境风对自然通风隧道内的温度和速度场有显著影响。Wu等人（2025a, b）将环境风作用下的井道烟雾排放分为三种模式：堵塞阶段、稳定烟雾层阶段和下降气流阶段——但并未建立明确的下降气流开始标准。本节基于温度分布和烟雾层厚度来确定下降气流的开始时刻
结论
本研究通过数值模拟和缩比实验，考虑了环境风速、井道几何形状和火灾HRR的影响，研究了自然通风高速公路隧道中垂直井道的烟雾排放行为。主要结论如下：
在环境风的作用下，井道内的烟雾流动行为可以分为四个阶段：堵塞阶段、稳定烟雾层阶段、不稳定下降气流阶段和完全下降气流阶段。
CRediT作者贡献声明
Peng Wu：撰写——原始草稿、方法论、调查、概念化。Yang Lou：形式分析、数据管理。Zhaojie Zhu：调查、数据管理。Ru Zhou：验证、监督、资金获取。Min Hao：验证、监督。Juncheng Jiang：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢中国国家自然科学基金（项目编号52174190）、江苏省青蓝计划以及江苏省基础研究计划（BK20250593）的财政支持。
Peng Wu|Yang Lou|Zhaojie Zhu|Ru Zhou|Min Hao|Juncheng Jiang
