《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Effect of symmetric sealing on the maximum ceiling temperature and longitudinal temperature decay in dual-fire-source tunnel fires
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摘要本文进行了一系列数值模拟，研究了双火源隧道火灾在对称封堵条件下的温度分布特征，重点考察了最大顶棚温度以及下游烟气温度的纵向衰减规律。系统分析了封堵率、无量纲释热率和无量维火源间距的影响，并建立了相应的预测关联式。结果表明，最大顶棚温度对封堵率表现出突变响应，由此可确定临界
摘要
本文进行了一系列数值模拟，研究了双火源隧道火灾在对称封堵条件下的温度分布特征，重点考察了最大顶棚温度以及下游烟气温度的纵向衰减规律。系统分析了封堵率、无量纲释热率和无量维火源间距的影响，并建立了相应的预测关联式。结果表明，最大顶棚温度对封堵率表现出突变响应，由此可确定临界封堵率。临界封堵率随无量纲释热率增大呈线性降低，并受火源间距影响，在间距为零时敏感性最高。观察到最大顶棚温度对封堵率呈现流态依赖型响应：当Q? < 0.42时，最大顶棚温度随封堵率增大而升高；而当Q? ≥ 0.42时，在高封堵率范围内显著降低。此外，下游烟气温度呈指数型纵向衰减，衰减系数与封堵率呈线性负相关。在综合考虑封堵率、无量纲释热率和火源间距的共同影响后，建立了下游烟气温度衰减的预测模型。所提出的关联式为封堵条件下双火源隧道火灾的温度预测和疏散安全评估提供了有用的指导。
引言
隧道火灾对人员疏散和结构安全构成严重威胁，因为烟气和热量可能在受限空间内迅速积聚[1]–[3]。随着城市化的加速和地下交通网络的持续扩展，隧道变得越来越长、体积更大、结构更加复杂，这进一步增加了火灾风险[4], [5]。与单火源场景相比，双火源火灾涉及更复杂的火焰交互、烟气流动和热量分布特征，其对隧道结构和内部环境的影响由截然不同的机制所支配[6], [7]。此外，双火源火灾更容易演变为大规模隧道火灾事故，导致严重的人员伤亡。例如，2014年中国山西岩后隧道火灾和2022年韩国京仁高速公路隧道火灾分别造成了40人和5人遇难（见图1）[8]。在此类事故中，应急响应人员通常采用洞口封堵作为辅助灭火措施。通过在火源两侧安装防火幕或临时封堵屏障，封堵可有效限制烟气扩散，限制氧气供应，并提高灭火效率。因此，全面了解封堵条件下双火源隧道火灾的温度分布特征，特别是最大顶棚温度和纵向温度衰减行为，对隧道消防安全设计和应急响应具有重要意义。
双火源隧道火灾的现有研究主要集中在火焰交互、最大顶棚温度和纵向温度分布方面。在火焰行为方面，已有研究表明，双火源火灾的稳定燃烧速率显著受火源间距、燃烧器尺寸和燃料深度等因素影响。随着火源间距的变化，火焰合并状态可能经历不同的流态演变，包括连续合并、间歇合并和不合并。这一演变与火焰倾斜、火焰长度和辐射热反馈密切相关[9]–[16]。在温度分布方面，普遍认为火源间距会改变火焰合并行为和顶棚射流交互模式，从而影响最大顶棚温度升高和纵向温度衰减。因此，基于等效虚拟源理论、无量纲分析和数据驱动方法，已针对各种双火源场景建立了最大顶棚温度和纵向温度衰减的预测模型[11], [17]–[24]。总体而言，以往研究已清楚证明了火源间距、释热率和火焰合并行为对隧道火灾热响应的影响。然而，这些结果主要是在无封堵、侧向受限或有特定障碍物的场景下获得的。
关于封堵对隧道火灾行为的影响，现有研究主要集中在两种场景：单端封堵和双端封堵。对于单端封堵隧道，已有研究表明，火源与封堵端之间的距离以及释热率共同决定了火焰倾斜、烟气回流、烟气层厚度和顶棚温度升高的分布。在通风不足或部分封堵条件下，沿隧道轴线的顶棚温度和烟气物种浓度通常呈指数或幂律衰减，并建立了相应的预测关联式[25]–[29]。对于双端封堵隧道，现有研究进一步表明，在非对称封堵条件下，高温烟气倾向于向封堵率较低的端部迁移，而在对称封堵条件下，高温区域更加集中在隧道中部。此外，封堵速度、封堵持续时间、燃料面积和火源位置等因素显著影响燃烧强度的衰减、火焰形态的演变、顶棚温度峰值以及临界封堵率[30]–[38]。值得注意的是，以往研究报告指出，在相对较低的释热率下，增大封堵率通常会增强热量积聚并提高顶棚温度；而在较高释热率下，封堵可能通过限制氧气供应抑制燃烧强度，从而降低温度[34], [36]–[38]。这表明封堵率与火灾强度之间存在显著的耦合效应。最近的研究进一步表明，受限或部分封堵隧道中的火灾热行为不能仅从烟气积聚的角度来解释。随着可用空气供应减少，燃烧可能从燃料控制型转变为通风控制型，伴随着燃烧效率、气体成分、火焰形态和释热行为的显著变化。在封闭隧道和死端巷道中的实验研究识别出了特征性不稳定燃烧现象，包括火焰脱离、鬼火形成、火焰迁移以及在氧气贫化条件下的最终自熄灭[39]–[42]。空气供应的中断可能进一步引起火焰行为、烟气温度、氧气浓度和CO产生的显著瞬态变化[40]。类似地，隧道中水雾封堵产生的烟气受限也被证明可以抑制化学释热率并促进鬼火形成和窒息驱动型熄灭[41]。这些发现表明，封堵可能产生两种竞争性的热效应：高温烟气的积聚和滞留增强，以及由于氧气供应不足而导致的燃烧抑制或失稳。这种竞争为理解不同封堵率和火灾强度下的流态依赖性顶棚温度响应提供了更广泛的物理基础。
尽管双火源隧道火灾和封堵隧道火灾已分别进行了广泛研究，但它们在对称洞口封堵下的耦合行为仍未得到充分理解。以往的双火源研究主要关注未封堵或通风条件下火焰合并、羽流交互、最大顶棚温度和纵向温度衰减，而封堵研究主要考虑单火源、单端封堵或非对称封堵隧道。这些发现无法直接推广到对称封堵的双火源火灾场景，因为在受限气流交换下，羽流耦合、烟气积聚和增加的氧气需求相互作用。因此，仍有若干问题亟待解决：封堵率、火灾强度和火源间距如何共同影响临界封堵率和最大顶棚温度；在强烈受限通风条件下热量保留与可能的燃烧抑制如何竞争；以及这些参数如何决定下游温度衰减。为解决这些空白，本研究使用FDS对不同封堵率、释热率和火源间距范围内对称封堵的双火源隧道火灾进行数值模拟研究。研究目标是：定量分析封堵率、无量纲释热率和无量维火源间距对临界封堵率和最大顶棚温度的影响；识别并解释观察到的温度响应流态；以及建立最大顶棚温度和下游纵向温度衰减的工程关联式。研究结果有望为封堵条件下多火源隧道火灾的温度预测和消防安全评估提供理论支持。
章节摘要
数值方法
本研究采用美国国家标准与技术研究院（NIST）开发的火灾动力学模拟软件（FDS）6.8.0版本进行数值模拟。FDS是一款基于低马赫数假设的计算流体力学程序，适用于模拟浮力驱动的火灾烟气流动。该程序已被广泛应用于隧道火灾温度分布、烟气传播和火灾动力学研究[2]。该软件求解滤波后的Navier-Stokes方程……
临界封堵率
基于Kurioka等人的工作[49]，本研究引入无量纲释热率Q?以便后续分析。图6展示了在φ = 0条件下，不同Q?工况下最大顶棚温度随封堵率β的变化情况。总体而言，最大顶棚温度对封堵率的响应在不同Q?工况下存在显著差异。在本模拟矩阵中，可以识别出两种经验响应流态，……
结论
本研究通过数值模拟系统研究了封堵对称条件下双火源隧道火灾的最大顶棚温度和下游烟气温度纵向分布的影响，并建立了相应的预测关联式。主要发现总结如下：
- (1)
最大顶棚温度对封堵率的变化表现出明显的突变响应，存在一个临界封堵率βc，在该值处……
作者贡献声明
陈建华：撰写——初稿。马秋菊：概念化。陈臻南：撰写——审阅与编辑。孙宇博：数据管理。陈楠：调查研究。张一言：方法论。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本文得到"中央高校基本科研业务费（中北大学博士顶尖创新人才基金）"（BBJ2025023）和中央高校基本科研业务费（2026ZKPYAQ02）的资助。
陈建华 | 马秋菊 | 陈臻南 | 孙宇博 | 陈楠 | 张一言
