近临界风速下隧道火灾集中排烟与水幕协同控烟性能转变及无量纲匹配关系研究

《Fire》：Study on Smoke Control Strategies for Tunnel Fires Under Near-Critical Velocity Conditions

　　

隧道火灾产生的高温有毒烟气对安全疏散构成严重威胁，而在近临界纵向通风条件下，集中排烟与水幕共同作用所引起的性能转变及参数匹配仍缺乏直接的实验支撑。为探究近临界纵向通风下二者的协同控烟性能，本研究结合FDS（Fire Dynamics Simulator）数值模拟、1:10缩尺实验与无量纲分析，考察排烟速率与水幕参数对8 MW隧道火灾温度及CO（一氧化碳）浓度的影响。结果表明：无水幕时，15 m³/s为离散工况中具有代表性的适宜排烟速率；在液滴粒径500 μm、单喷嘴流量40 L/min条件下，引入水幕后18 m³/s工况表现出相对较好的控烟性能。随着单喷嘴流量由30 L/min增至60 L/min，排烟性能转变区间由17–18 m³/s迁移至20–21 m³/s，并建立了无量纲区间约束关系：Π_e = 3.90596Π_w + 0.32834。该关系适用于本研究中固定的几何、火源、通风与喷雾条件，不宜直接用于工程设计。

**研究背景与问题**　随着公路交通基础设施持续发展，隧道数量与建设规模不断增加。隧道狭长、相对封闭、疏散出口有限且自然通风能力弱，车辆火灾产生的高温有毒烟气会迅速积聚并沿隧道纵向蔓延，导致能见度下降、温度升高以及CO等有毒气体浓度上升，严重威胁人员疏散与消防救援安全。因此，在疏散高度维持可耐受条件、同时抑制烟气逆流与纵向蔓延，是隧道火灾通风、排烟与控烟研究的核心问题。既有研究主要围绕纵向通风、集中排烟与水系控烟系统展开：纵向通风方面，Oka与Atkinson揭示了临界风速与火源热释放率之间的分段关系；集中排烟方面，相关缩尺实验表明排烟速率与排烟口几何参数对不同性能指标的影响存在差异，且排烟速率并非越高越好，抽吸过强会诱发 plug-holing（烟气层被抽吸穿透、下层冷空气被卷吸）；水系控烟方面，细水雾的降温、隔烟与热防护性能受喷嘴压力、安装位置及纵向风速的显著耦合影响。数值与理论研究进一步揭示了临界风速与烟气逆流长度的定量关系、最大顶棚烟温变化规律以及多系统耦合下的流动机制。然而，既有研究仍留下三个具体问题未解决：其一，近临界纵向通风下，集中排烟宏观控烟指标由改善转为不再协同改善的离散排烟速率范围如何界定；其二，引入水幕后该性能转变区间随水幕流量如何迁移；其三，在固定火源、几何与喷雾条件下，该匹配关系能否用无量纲参数表达。针对上述问题，研究人员开展了本研究。

**研究内容与结论**　本研究结合1:10缩尺实验与FDS模拟，以温度、CO、局部流场与组分输运识别性能转变，对比有水幕与无水幕的代表性工况，并建立水幕动量参数与排烟转变区间之间的样本内约束关系。研究得出：无水幕时15 m³/s为离散工况中的代表性适宜排烟速率，15–20 m³/s为性能转变区间；基准水幕下18 m³/s对应相对较低的疏散高度CO，体现指标间的权衡；单喷嘴流量30–60 L/min时转变区间由17–18 m³/s迁移至20–21 m³/s，并给出无量纲约束表达式。其意义在于提供了受控条件下的多指标证据与区间表达，但作者明确指出该结果不构成通用 plug-holing 判据或工程设计公式。

**关键技术方法**　研究人员采用FDS（Fire Dynamics Simulator，美国NIST开发）数值模拟，建立100 m × 4 m × 3 m原型尺度模型与10 m × 0.40 m × 0.30 m同尺度验证模型；依据Froude相似准则开展1:10缩尺隧道火灾实验，以正庚烷池火为火源，原型8 MW对应模型约25.3 kW，原型2.0 m/s对应模型约0.63 m/s；采用无量纲分析定义排烟强度Π_e与水幕动量参数Π_w，并以区间约束线性关系拟合转变区间。样本队列来源为自建1:10缩尺实验平台，并以Zhu等T2-2全尺寸实验数据作为基线验证。

**研究结果**　（1）近临界纵向通风下集中排烟的性能转变：温度响应方面，排烟速率由5增至15 m³/s时最大顶棚温度与1.6 m高度温度均下降，由15增至20 m³/s时分别由608.5 ℃、34.2 ℃升至626.5 ℃、38.1 ℃，热环境改善趋势出现反转；CO响应方面，疏散高度CO先降后升，15 m³/s时为32 ppm、30 m³/s时增至128 ppm，排烟口CO先升后降，15–20 m³/s被识别为性能转变区间；局部流场方面，排烟速率高于15 m³/s后近排烟口纵向速度分量出现明显非均匀与低速区；组分输运方面，排烟速率由15增至30 m³/s时总质量流率由12.6增至30.6 kg/s，PRODUCTS质量流率由10.2增至12.7 kg/s且增量递减，非PRODUCTS质量流分数由19.0%升至58.5%，表明抽出气流组成发生变化。（2）水幕与集中排烟的协同控烟性能：液滴粒径方面，水幕下游2 m、1.6 m高度温度在200、300、500、800 μm及无水幕工况分别为151.4、91.6、76.3、53.0、61.4 ℃，500 μm最低，较无水幕低约65.0%、较800 μm低13.7%，而最大顶棚温度随粒径增大持续下降，指标偏好不一致；温度响应方面，基准水幕下排烟速率由15增至18 m³/s时最大顶棚温度由559.6降至542.8 ℃，20 m³/s时进一步降至539.5 ℃，降幅仅3.3 ℃；CO与污染物输运方面，同一15 m³/s下引入水幕使排烟口CO由1124升至1356 ppm、疏散高度CO由32降至28 ppm，耦合工况排烟速率由18增至20 m³/s时排烟口CO由1433降至1411 ppm、疏散高度CO由20升至25 ppm；局部纵向流动方面，20 m³/s耦合工况出现显著局部流动非均匀。（3）性能转变区间的无量纲关系：不同水幕流量下转变区间呈阶梯式迁移，单喷嘴流量由30增至60 L/min时区间由17–18迁移至20–21 m³/s，相邻流量可对应同一区间；区间约束分析给出Π_e = 3.90596Π_w + 0.32834，线性计算值落在全部七个离散区间内，最小间隔裕度约0.00576。

**讨论与结论**　讨论部分指出：随排烟速率增加，疏散高度控烟性能先改善后恶化，高排烟速率可能增强对下层空气的卷吸，排烟口CO下降可能与气流稀释有关，但浓度本身不同于燃烧产物质量流率或有效排烟效率；局部纵向速度云图不能单独判定 plug-holing 的发生，本研究未单独确定其起始条件。水幕方面，500 μm仅为优先考虑疏散高度降温时的代表性粒径，并非所有指标的共同最优；蒸发冷却与液滴动量拖曳的贡献未被定量分离。验证范围方面，T2-2数据仅检验纵向通风下的基线顶棚温度场，不含集中排烟与水幕耦合构型，未获得与该耦合构型直接匹配的独立全尺寸实验基准；网格与颗粒释放速率敏感性仅针对时均宏观输出，瞬时液滴轨迹与微观气液交换的收敛性尚未验证； visibility、热剂量与FED（Fractional Effective Dose，分数有效剂量）未予评估。无量纲关系方面，式（11）仅体现样本内区间一致性，未开展独立外部检验，不预测精确临界排烟速率或连续最优值，故未用R²表达其预测精度；其适用条件为100 m × 4 m × 3 m隧道、8 MW火灾、2.0 m/s近临界纵向风速、8 m²排烟口、排烟口下游8 m处水幕、三个垂直向下喷嘴、体积中位粒径500 μm、初始速度5 m/s、单喷嘴流量30–60 L/min，且Π_w = 0.01770–0.03539；Froude相似主要约束气相浮力与惯性，单一几何尺度下不能同时保证液滴Reynolds数、Weber数、蒸发时间与气相输运时间之比、喷雾破碎、传热及空间流动分布的相似，跨尺度应用需独立验证。结论部分译为：在固定8 MW火灾与近临界纵向通风下，本研究结合FDS模拟、1:10 Froude缩尺实验与无量纲分析，考察集中排烟的性能转变及引入水幕后的参数响应，主要结论为：（1）缩尺实验与同尺度FDS模拟的对比为宏观温度与CO响应提供了验证证据，T2-2全尺寸数据验证了纵向通风下的基线温度场，但本研究未获得集中排烟与水幕协同运行的独立全尺寸验证基准；（2）在100 m × 4 m × 3 m隧道、8 MW火灾、2.0 m/s纵向风速下，无水幕时排烟速率由5增至15 m³/s温度与疏散高度CO改善，20 m³/s工况转而升高，15 m³/s为离散工况中的代表性适宜值，15–20 m³/s为性能转变区间，其含义不同于通用 plug-holing 阈值；（3）基准水幕下18 m³/s在本组工况中对应相对较低的疏散高度CO，而20 m³/s仍产生略低的最高顶棚温度，前者体现指标间权衡；精细参数组中单喷嘴流量由30增至60 L/min使转变区间由17–18迁移至20–21 m³/s，蒸发冷却与液滴动量拖曳可能共同影响这些响应，其贡献尚未定量分离；（4）针对单喷嘴流量30–60 L/min，本研究定义Π_e与Π_w，七个离散区间的约束表达式为Π_e = 3.90596Π_w + 0.32834，该式描述第4.4节规定条件及Π_w = 0.01770–0.03539范围内的样本关系，未开展独立跨尺度检验，不宜直接用于工程设计；（5）网格与计算颗粒释放速率敏感性支持所测时均宏观输出的数值稳定性，瞬时液滴轨迹与微观气液交换的收敛性仍未验证，Froude缩放亦不能保证微观喷雾过程的完全相似，推广至工程应用需更宽的尺度与工况范围及独立验证。