超宽公路隧道纵向通风与高压细水雾作用下温度演化及协同机制试验与数值研究

《Developments in the Built Environment》：Experimental and numerical study of temperature evolution and synergistic mechanisms under longitudinal ventilation and high-pressure water mist in an ultra-wide road tunnel

　　

研究人员针对超宽隧道在纵向通风(LV)与高压细水雾(WMS)耦合作用下的温度演化及协同控烟机制开展研究。通过四组全尺寸柴油池火试验，考察不同通风与细水雾工况下的燃料质量损失、火焰形态、烟气传播及顶棚温度分布。结果表明细水雾显著抑制燃料质量损失与火焰发展；与LV联用时可有效控制顶棚烟气积聚、降低顶棚峰值温度，且随LV风速增大冷却性能增强，呈现明确协同效应。研究人员进一步建立经验证的数值模型，模拟5~50 MW隧道火。模拟显示细水雾启动通过动量交换、蒸发冷却及削弱浮力驱动烟流，大幅降低临界纵向通风风速；火源横向位置影响温度分布，而细水雾与通风组合可部分缓解热非均匀性。

研究背景方面，隧道火灾因半封闭空间特性，高温有毒烟气对人员威胁大。现行纵向通风(LV)与横向通风系统虽为防火关键措施，但近二十年多起重大隧道火灾暴露单一通风局限，亟需补充主动消防手段。水基固定灭火系统(WFFFS)含雨淋、喷淋与细水雾三类，其中高压细水雾(WMS)喷雾密度仅1~4 mm/min，约为雨淋系统三分之一，耗水少。WMS可渗入相邻车辆阻火蔓延、持续作用抑制燃烧、降低火规模从而优化通风设计。然而WMS与LV耦合机制广受关注，已有中等尺度试验与CFD（计算流体动力学）研究表明细水雾拦截火热、局部蒸发冷却降低烟层高度，但在受限空间七庚烷池火中灭火效率随LV风速增大而降。数值上FDS（火灾动力学模拟器）常用，但直接模拟细水雾抑燃速率存挑战，多简化仅考虑对烟气与羽流冷却。常规隧道研究多，超宽隧道（横断面增大改变羽流相互作用与烟运移）的WMS-LV耦合尚缺，深圳–中山通道为典型超宽沉管隧道配WMS+LV，构成研究缺口。

研究人员依托深圳–中山通道沉管段（单向四车道、宽18.3 m、高7.1 m）开展四组全尺寸柴油池火试验（T1自然通风0.2 m/s无WMS；T2自然通风0.2 m/s启WMS；T3机械通风1 m/s启WMS；T4机械通风2.5 m/s启WMS）。火源为第二车道中线两直径0.6 m油盆（总燃面0.57 m²、柴油5 kg+汽油引燃），稳定热释放速率(HRR)约0.6 MW。WMS喷嘴横向6 m纵向7 m布置、单区21 m、10 MPa、单嘴24.84 L/min、平均粒径100 μm，点火30 s后启动。测点含Testo 405i热风仪、称重传感器（0.01 kg）、光纤布拉格光栅(FBG)顶棚温度传感器（间距1 m、41点、量程?30~180 °C、精度0.1 °C）。数值采用FDS 6.9.1，矩形域160 m×18.3 m×7.1 m，9喷嘴3×3、K因子2.5 L·min^?1·bar^?0.5、初速60 m/s、Rosin–Rammler–Lognormal粒径分布、注入10⁴粒/s、0~80°、0.6 MW验证后扩展5~50 MW（方源1.2~3.8 m边长），火源按t²增长（α=0.19 kW/s²）56 s后稳燃。网格按特征火径D^*取d≈D^*/16~D^*/4。

关键方法上，研究人员采用全尺寸火灾试验与FDS数值模拟验证结合两条主线：试验端以油盘质量损失、火焰红外/可见形态、FBG顶棚温度时空场、热风仪LV风速构成多维观测；数值端以简化矩形超宽断面、t²火曲线由T1质量损失反演、WMS用拉格朗日液滴动量-蒸发-相变耦合、临界风速以无烟回流判据扫描。样本即深圳–中山Link沉管标准段现场四工况单测（受运营安全限每工况一次）。

结果部分，2.3.1燃料质量损失显示T2前250 s质量损失斜率显著低于T1，T2~T4随LV从0.2增至2.5 m/s质量损失率递降，证明WMS抑燃且LV增强其效。2.3.2烟气扩散与火焰形态表明无WMS时烟气沿顶棚双向蔓延；WMS启动后雾滴夹带烟气改路径成水气混合流；LV 1与2.5 m/s下上游无烟无水汽、下游共传，火焰倾角变陡、体积缩小、烟层变薄。2.3.3顶棚温度时空分布中T1峰温300 s超58 °C；T2启WMS峰温降27.4%；T3（1 m/s）峰温约30 °C；T4（2.5 m/s）低于30 °C，冷却效随LV正相关。数值扩展得出WMS通过动量交换、蒸发冷却、削弱浮力烟流使临界LV风速显著降低；火源偏横向致温度非均匀，WMS+LV部分缓解。

讨论与结论翻译浓缩：研究人员指出超宽隧道横维增大根本改变羽流交互与烟运移，既有研究多聚焦烟传与热特，WMS-LV耦合未探。本文以深圳–中山隧道全尺寸试验加验证FDS模型填补空白。结论为——高压细水雾显著降低燃料质量损失与火焰尺度；与纵向通风协同可压制顶棚烟积、降峰温、冷却随风速增而强；数值上细水雾借动量交换、蒸发冷却及弱化浮力烟流削减临界纵向风速；横向火源位形影响顶棚温度场，组合系统部分消减热不均；该协同策略为超宽沉管隧道结构保护与通风选型提供量化依据，成果发于《Developments in the Built Environment》。