《Fire》：Numerical Assessment of Smoke Spread and Evacuation Safety for a Battery Electric Vehicle Fire in a Single-Lane Road Tunnel
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本研究调查了在一条1.5公里小断面单车道公路隧道中，一辆15兆瓦（MW）电池电动汽车（Battery Electric Vehicle, BEV）火灾的烟气蔓延特性及乘员疏散安全性。由于其最小化的横截面（在3.7米内径内仅有单一3.0米车道），无法容纳任何消防
本研究调查了在一条1.5公里小断面单车道公路隧道中，一辆15兆瓦（MW）电池电动汽车（Battery Electric Vehicle, BEV）火灾的烟气蔓延特性及乘员疏散安全性。由于其最小化的横截面（在3.7米内径内仅有单一3.0米车道），无法容纳任何消防保护或疏散设施，因此其消防安全需基于性能进行验证。研究人员采用火灾动力学模拟器（Fire Dynamics Simulator, FDS）模拟了不同纵向通风速度下的火灾场景，并考察了烟气温度、能见度及一氧化碳（CO）浓度。基于这些指标，确定了可用安全疏散时间（Available Safe Egress Time, ASET），同时通过Pathfinder疏散模拟，针对涉及420名乘员的最不利拥堵情景，获得了所需安全疏散时间（Required Safe Egress Time, RSET），以评估1.5公里隧道的疏散距离是否充足。结果表明，在自然通风条件下，上游区段645–750米违反了RSET < ASET的准则；在1米/秒的纵向通风下，失效区域缩小至740–750米；在2米/秒和3米/秒的速度下，上游区域在整个900秒模拟期间保持可居留状态，所有乘员均可安全疏散。因此，为确保该隧道上游的安全疏散，至少需要2米/秒的纵向通风速度。研究结论是针对当前最不利配置得出的，旨在为类似无疏散设施的单车道隧道的施工前性能化验证提供参考。
研究背景与意义
随着全球范围内电池电动汽车（BEV）保有量的快速增长，隧道火灾安全问题面临新的挑战。与传统燃油车火灾相比，BEV火灾具有火势增长极快、峰值热释放速率高（可达10–15 MW以上）、燃烧产物中含有氟化氢等剧毒气体且难以扑灭易复燃等特点。传统的基于常规车辆火灾的设计火灾模型可能低估对乘员安全构成的威胁。与此同时，单车道公路隧道因其极小断面（如内径3.7米内仅设3.0米车道），无法按常规规范设置紧急人行道、避难通道等消防与疏散设施。对于此类隧道，既有的规范条文无法直接适用，必须通过基于性能的数值分析方法，在最不利的可信火灾与交通拥堵情景下验证其能否满足疏散安全要求。为此，研究人员针对一条长度为1.5公里、纵断面呈V形、无疏散设施的单车道隧道，开展了耦合数值模拟研究，旨在量化不同纵向通风条件下的烟气蔓延特性，识别违反疏散安全准则的区域，并确定确保上游安全疏散所需的最低纵向通风速度。
关键技术方法
研究人员采用了两种数值模拟工具。首先，使用火灾动力学模拟器（FDS，版本6.7.0）建立隧道火灾模型，将圆形断面简化为等效矩形断面，采用0.3米的网格尺寸，并对火源附近进行局部加密，总计约177.84万个计算单元。火源设定为一辆特斯拉BEV，电池材料为三元锂电池，峰值热释放速率为15 MW，烟气和一氧化碳产率分别设为0.1千克/千克和0.1克/克。模拟考虑了四种纵向通风场景：自然通风以及1米/秒、2米/秒、3米/秒的机械纵向通风。其次，使用Pathfinder软件进行人员疏散模拟，设定最不利满负荷拥堵情景：在火源上游750米路段内停有105辆车，每辆车载有4人，共计420名乘员。乘员步行速度服从均值为1.25米/秒的正态分布。研究人员通过比较沿隧道纵向各位置的可用安全疏散时间（ASET）与所需安全疏散时间（RSET）来评估疏散安全性，其中ASET依据距地面2米高度处的温度（≤60°C）、能见度（≥10米）和一氧化碳浓度（≤225 ppm）三项准则判定。
研究结果
3.1 自然通风
在自然通风条件下，浮力驱动的烟气向两侧扩散。由于隧道V形纵坡的影响，烟气向上坡方向（4%坡度段）蔓延加速。在距地面2米高度处，火源附近15米范围内的温度在200秒时即超过60°C标准；能见度在100秒时于火源附近30米内降至10米以下；一氧化碳（CO）浓度成为远距离控制性判据，在400秒时影响范围达火源附近195米。综合三项准则，上游0–350米和下游990–1500米区间在900秒模拟期内保持可居留，而ASET值向火源方向急剧下降。
3.2 1米/秒纵向通风
施加1米/秒纵向风速后，烟气回流显著减少但未完全消除，危险区域向下游转移。2米高处温度高于60°C的范围在600秒时限于750–900米；能见度低于10米的范围在200秒后覆盖720–870米；CO浓度超标范围在400秒时扩展至690–1050米。上游0–680米区域始终保持可居留，但火源紧邻上游的一小段区域仍在疏散窗口内变得不可居留。
3.3 2米/秒纵向通风
当纵向风速达到2米/秒时，火源上游的烟气回流被完全抑制。整个上游0–750米区域在整个模拟期间无烟气侵入，始终保持可居留状态。在600秒时，温度超标区限于下游765–960米；能见度在600秒后使整个下游765米至出口段变得不可居留；同样，CO浓度在600秒后也使整个下游段超标。因此，火源上游各点的ASET均超过900秒模拟时长。
3.4 3米/秒纵向通风
3米/秒风速下的整体模式与2米/秒相似，危险区域略微进一步向下游推移。温度超标区在600秒时覆盖765–1005米；能见度和CO浓度在600秒后均导致整个下游段不可居留。上游0–750米区域仍始终安全。研究表明，从2米/秒增至3米/秒并未给上游疏散带来额外益处，反而将热量、烟雾和CO输送至更远的下游。
3.5 位置分辨的ASET/RSET对比
在满负荷拥堵情景下，所有420名乘员移动到上游入口的总时间为758.8秒，加上60秒报警时间和60秒响应时间，火源最近乘员的RSET为878.8秒。位置分辨对比显示：自然通风条件下，上游645–750米区段（火源上游约105米内）的乘员遭遇RSET大于ASET，无法安全疏散；1米/秒风速下，失效区域缩小至740–750米，即仅最靠近火源的1–2辆车内的乘员处于风险中；而在2米/秒和3米/秒风速下，上游各处ASET均大于900秒，所有乘员均可满足RSET小于ASET的准则。
总结与讨论
本研究的结论如下：
（1）本研究中的火源配置不同于以往的隧道火灾模拟：BEV火灾的烟气和CO产率高于传统燃油车火灾。研究人员根据特斯拉BEV的特性建模，将电池表示为三元锂电池，并在FDS中根据其燃烧特性定义反应，参照文献中的全尺寸BEV火灾测试数据设定烟气和CO产率。
（2）结合世界道路协会（PIARC）允许值和中国工程实践，在2米特征高度处建立了温度≤60°C、能见度≥10米和CO≤225 ppm的可居留准则；能见度准则同时限定了疏散窗口内的总体烟气毒性。
（3）应用了沿隧道全长位置分辨的ASET/RSET评估方法。在自然通风下，上游645–750米区段违反RSET小于ASET准则，不满足疏散要求；在1米/秒风速下，失效区缩小至740–750米；在2米/秒和3米/秒风速下，整个上游0–750米区域保持可居留，所有420名乘员在878.8秒内完成疏散。因此，为确保该隧道上游安全疏散，至少需要2米/秒的纵向通风速度。
这些结论是针对此隧道构型的施工前性能化验证得出的：一条1.5公里无疏散设施的单车道隧道，中部发生15 MW的BEV设计火灾，纵向通风为唯一的烟气控制措施。研究存在若干局限性：BEV火灾动力学参数来自已发表的全尺寸试验，尚无在此特定隧道中的实验验证；满负荷拥堵情景是最不利边界而非正常运行预测；对所有乘员应用了统一的报警和响应时间；除CO外的有毒物种（特别是氟化氢）未被显式建模。后续工作建议开展全尺寸火灾与疏散试验、虚拟现实行为实验、多摄像头轨迹追踪、氟化氢毒性建模、随机车辆载客量以及差异化预动时间的研究。
