自然通风隧道中双火源燃烧特性的比较研究：燃料类型和间距的影响

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Comparative study on combustion characteristics of dual-fire sources in naturally ventilated tunnels: Effects of fuel type and spacing

本研究在自然通风隧道中探究乙醇池火与锂离子电池（LIB）火两种不同双火源配置的燃烧特性，通过调整火源间距和热释放率，发现LIB火具有多阶段喷射火焰特征，其稳定燃烧时长随SOC升高而缩短，平均热释放率增加。乙醇池火火焰倾角随间距增大先增后减，并提出基于空气捕获周界的双乙醇池火平均火焰长度修正模型。首次建立LIB火平均热释放率与火焰长度定量关系，为隧道双重火源事故的防护设计与应急响应提供理论支撑。

　　

薛文豪|王远|娄阳|刘新雷|周茹|郝敏|姜俊成

南京工业大学安全科学与工程学院，中国南京211816

摘要

隧道中涉及不同点火源的多源火灾由于燃烧过程的复杂性，可能会导致严重的后果。本研究调查了自然通风隧道中两种不同双火源配置的燃烧特性：双乙醇池火灾和由锂离子电池（LIB）火灾与乙醇池火灾组成的混合源火灾。实验考虑了火灾类型、火源间距和功率等因素。结果表明，与乙醇池火灾的稳定且近似线性的燃烧行为不同，LIB火灾表现出多阶段喷射燃烧特性。两次喷射燃烧之间的稳定燃烧持续时间随着电池荷电状态（SOC）的提高而缩短，而平均热释放率（HRR）增加。对于双乙醇池火灾，火焰倾斜角度在火源间距增大时先增加后减小。在混合火灾场景中，LIB在二次喷射燃烧过程中的火焰偏转显著减小，尤其是在100%和75%的SOC时。此外，本研究提出了一种基于空气卷吸周长的双乙醇池火灾平均火焰长度的修正模型，并建立了LIB平均火焰长度与其平均热释放率之间的定量关系。这项研究为自然通风隧道中此类双火源事故的防火设计及有效应急响应策略的制定提供了重要见解。

引言

近年来，城市道路隧道已成为交通基础设施中越来越重要的组成部分。隧道的封闭和延长结构使得火灾成为对交通安全和隧道运营最严重的威胁之一（Mashimo, 2002）。车辆碰撞可能导致多源火灾，即两辆或多辆车同时起火燃烧（He et al., 2024）。此外，随着新能源汽车技术的快速发展，其在道路上的数量持续增加（Woon et al., 2023）。在隧道发生火灾时，不同动力类型的车辆可能会同时燃烧，并以混合方式蔓延，从而导致严重的隧道火灾事故。

已有大量研究致力于隧道火灾和锂离子电池热失控特性的研究。Wan等人（2019）研究了盘状庚烷池火灾的燃烧行为受盘大小和间距影响的情况，并提出了质量燃烧率与火焰高度之间的关联。Ma等人（2025b）研究了在纵向通风条件下多个池火灾的顺序点火特性。随后，Ma等人（2025c）研究了自然通风隧道中多源火灾蔓延的点火机制，并基于无量纲分析建立了一个经验关联方程来预测天花板火焰的蔓延范围。Zhao等人（2024）研究了由“跳跃”式不连续火灾蔓延引起的隧道中多个火源的燃烧特性，并建立了天花板温度衰减的数学模型。Hu等人（2010）研究了隧道火灾烟雾流中CO浓度和烟雾温度的纵向衰减曲线及其差异，这些差异是由于纵向风速的变化引起的。He等人（2021）研究了点火源间距对隧道自然通风条件下火焰合并行为、倾斜角度和火焰长度的影响。随后，He等人（2025）研究了非对称双火源的燃烧行为，并引入了一个基于卷吸边界概念的修正框架来估计统一的火焰高度。Hu等人（2005）在长走廊进行了全尺寸燃烧测试，研究了烟雾温度和速度的变化。Li等人（2024）分析了低压环境下隧道中双火源的火焰合并和火焰长度，提出了一个分段模型来预测火焰合并的可能性。Zhang等人（2020）研究了墙壁与倾斜天花板之间角落处由壁附气体喷射火焰引起的冲击流的温度分布。Hu等人（2006）研究了两个全尺寸隧道中天花板下的最大烟雾温度。Ji等人（2016）研究了自然通风隧道中两个对称排列火源的燃烧特性，特别关注燃烧器间距对燃烧速率和火焰合并动态的影响。Hu等人（2017）研究了两个燃烧喷射产生的浮力驱动湍流扩散火焰之间的相互作用，并建立了火焰聚合的关键阈值。Tang等人（2023）和Peng等人（2025）分别研究了侧风条件和不同高度角对火焰合并特性的影响。Guo等人（2024）在不同通风条件下进行了全尺寸火灾实验，分析了两个相同燃料盘的火灾动态，并提出了一个模型来预测下游火源的火焰倾斜角度。Hu等人（2008）和Meng（2023）研究了纵向通风隧道中烟雾的背层长度，并建立了预测模型。Fan等人（2025）研究了亚大气压下弯曲隧道的火灾危险性。

在加热、过充和钉子穿刺等滥用条件下，锂离子电池可能会发生内部短路，从而触发电池材料内的不受控制的链式化学反应，即热失控（Ma et al., 2025c, Wang et al., 2012, Feng et al., 2018）。这也是电动汽车火灾的主要原因（Meng, 2022）。Chen等人（2020）对锂离子电池的典型可燃成分进行了燃烧实验，并分析了从热失控到点火的各种内部组件的相互作用机制。Wang等人（2019）使用锥形量热计研究了18650型电池在不同SOC水平和外部辐射强度下的火灾行为，评估了包括燃烧特征、HRR、点火时间和相关火灾危险性在内的关键参数。Chuang等人（2025）分析了施加的热能强度差异对高能量密度磷酸铁锂电池热不稳定性特性和排放特性的影响。Huang等人（2021）使用扩展体积加速率量热计研究了热滥用环境下的热失控行为，特别考察了在过充和过热条件下大尺寸锂离子电池的热失控特性及其传播。

一些先前的研究已经针对隧道等封闭环境中的锂离子电池火灾进行了研究。Zhu和Tang（2024）研究了隧道内不同充电状态下方形磷酸铁锂电池燃烧过程中的火焰外观、天花板温度分布和CO生成特性。Ouyang等人（2024）使用18650型电池研究了隧道中锂离子电池的热失控特性，考虑了不同的充电状态和隧道天花板类型（拱形和平顶）。An等人（2023）研究了两个18650型电池在长方形封闭空间内的点火点间距对热传播动态和烟雾层热条件的影响。通过实验，Zhai等人（2022）分析了不同天花板倾斜角度下的热失控传播，表明更陡的天花板角度显著抑制了电池喷射火焰向相邻电池的传递。Funk等人（2023）研究了封闭空间内由电动汽车电池热失控引发的火灾。

然而，现有研究主要集中在单一类型可燃源的火灾行为上。在实际的隧道火灾场景中，不同类型的车辆动力系统可能导致不同类型的点火源同时燃烧。不同类型火源在火灾中表现出的危险性存在显著差异。目前，关于隧道中不同类型双火源的火灾特性的研究仍然有限。因此，本文重点研究了不同类型双火源的火焰特性，并通过改变火源间距和热释放率来探究它们在隧道中的相互作用。

实验材料

本实验使用了两种不同类型的火源：一种使用无水乙醇作为燃料，通过改变燃料池的大小来调节火力；另一种使用32 Ah的磷酸铁锂电池（LFP），设置了四个不同的SOC水平（100%、75%、50%、25%）来改变火力。电池配备了一个位于两个电极端子之间的椭圆形安全阀，其标称电压为3.2 V，外部尺寸为148 mm（长度）× 27 mm（宽度）× 92 mm

单乙醇池火灾燃烧过程分析

先前的研究表明，燃料池中的燃料深度仅影响总燃烧时间，但不影响燃料的质量损失率（Gao et al., 2016）；质量损失率仅由燃料池的大小决定。用于校准液体燃料热释放率的常用公式为：

${\stackrel{?}{Q}}_e={\stackrel{?}{m}}_e{\Delta H}_e$

其中${\stackrel{?}{Q}}_e$

${\stackrel{?}{Q}}_e$

结论

本研究通过一系列缩小比例的隧道火灾实验，研究了自然通风隧道中涉及不同火源类型的双源火灾，旨在模拟不同动力类型的车辆在隧道中同时燃烧的情景。分析重点关注了各种火源配置的燃烧行为和火焰特性（火焰倾斜角度和平均火焰长度）。本研究的主要结果如下：

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作者贡献声明

薛文豪：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析、概念化。王远：数据整理。娄阳：调查。刘新雷：软件。周茹：撰写——审阅与编辑、方法论、资金获取、概念化。郝敏：撰写——审阅与编辑。姜俊成：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（52174190）、土木工程灾害减灾国家重点实验室（SLDRCE25-F-18）的访问学者资助、江苏省高等教育机构基础科学（自然科学）研究计划（24KJB440002）以及江苏省的基础研究计划（BK20250593）的财政支持。