通风隧道中的风射流对侧壁受限单根电线火焰蔓延及熄灭行为的影响

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Effect of wind jet in a ventilation tunnel on flame spread and extinction behaviors over sidewall confined single electrical wire

　　黄新杰|尹志鹏|赵越鑫|盛东|姚人瑞|吴帅帅
安徽工业大学土木工程与建筑学院，中国安徽省马鞍山市243002

**摘要**
通风隧道中的冲击风射流显著影响电线的燃烧过程，其独特的流动结构进一步加剧了火灾风险。本文通过控制喷嘴出口风速（Uf = 0 ～ 0.8 m/s）和侧向约束距离（y = 0 ～ 120 mm），研究了冲击风射流对电线燃烧蔓延和熄灭行为的影响。根据流场特性，火焰传播会经过壁射流区（0 mm ≤ y < 70 mm），包括逆流区、停滞区和顺流区，以及自由射流区（70 mm ≤ y ≤ 120 mm）。结果表明，在相同的风速下，逆流区的火焰纵向倾斜角度θ显著大于顺流区（θR > θF），这主要是由于火焰燃烧与水平风速之间的动态竞争所致。在壁射流区，逆流区和停滞区的火焰传播速率（FSR）随风速减小，而在顺流区则先升高后降低。在自由射流区，FSR也随风速增加而减小。此外，当ux,y>1.3m/s时，Damk?hler数Da*呈指数级减小，导致火焰熄灭。当自由射流风速ufy>0.4m/s时，超过临界应变率（amix*=120s^-1），导致自由射流区的火焰熄灭。最后，建立了用于预测FSR和熄灭极限的热传递模型，这些模型与实验结果吻合良好。

**引言**
随着城市和社会的快速发展，作为关键能源载体的电线被广泛用于隧道和地下空间等密闭结构中。然而，由于材料的易燃性，电线火灾经常发生（Huang和Nakamura 2020）。同时，在这些场所，冲击风射流尤为常见，例如地铁站台交叉口、通风弯道和隧道疏散出口等地方，它们通常与气流扰动或局部通风结合，从而显著影响电线的燃烧蔓延和燃烧强度。当狭窄或密闭空间中的纵向或横向流动被墙壁阻挡时，流场模式会发生变化，产生冲击风射流。因此，这种射流对电线火灾行为的独特影响非常复杂，包括壁射流区（逆流区、停滞区和顺流区）和自由射流区，这些都会影响火焰稳定性、热传递过程，最终影响火焰传播速率（Polat等人，1989）。因此，研究冲击风射流条件下电线的火焰传播特性对于理解这种特殊的火灾行为和火灾动态至关重要。

许多研究已经探讨了非冲击风射流条件（如纵向或横向风）下电线的火焰传播。研究表明，低压和低速反向流的结合会加速火焰传播和滴落（Gagnon等人，2021；Nakamura等人，2008）。对于倾斜电线的同时作用风，火焰加速的临界倾斜角度随风速增加从45°降至15°，且传播速率可以通过Fr数有效表征（Lu等人，2019b）。Ma等人（2021, 2025）系统研究了横向流下水平和垂直排列的PE绝缘电线的火焰传播和熄灭现象，发现气流对电线火焰传播的影响涉及更特定的热和质量传递机制。Huang等人（2025b）发现，在隧道火灾中，电线的火焰传播速率先增加后减少。此外，在隧道火灾情景中，纵向气流还可以抑制天花板温度上升（Hu等人，2023），并改变侧壁热流（Chen等人，2024）。与非冲击风射流相比，冲击风射流由于存在多个流场，对控制电线火焰传播的热传递机制带来了更大的复杂性。最近关于冲击风射流的研究主要集中在热传递增强（Salamah和Kaminski，2005；Huang等人，2022；Fénot等人，2005）、射流冲击压力（Ortega-Casanova和Molina-Gonzalez，2017；Kong等人，2023；Chauhan等人，2024）以及流场特性（Fénot等人，2019；Hadiabdi?和Hanjali?，2008；Guo等人，2017；Isman等人，2016）等方面。Huang等人（2025a）揭示了喷嘴到板的间距对过渡射流冲击过程中的停滞点热传递和流动模式有重要影响。另一方面，受限的壁射流受间隙高度和雷诺数的影响，小间隙下强烈的回流会干扰火焰发展（Guo等人，2017）。此外，关于冲击流的研究主要集中在射流火焰的热传递和空气动力学上。水平冲击射流火焰的扩展和温度分布受喷嘴出口条件和间距的控制（Wang等人，2021）。在倾斜隧道中，天花板冲击圆形射流火灾的温度分布和火焰扩展长度受初始燃料动量和隧道倾斜角度的影响（Kong等人，2019）。然而，在冲击风射流条件下电线的火焰传播行为和特性仍然大部分未得到探索。特别是在隧道和地下空间中，冲击风射流在弯道和交叉口形成，其复杂的几何形状和密集的人流导致电线火灾容易发生，火灾风险增加。因此，研究冲击风射流条件下的电线火焰传播对于提高消防安全和管理具有实际价值。

**实验装置**
为了研究冲击风射流对不同喷嘴出口风速（Uf = 0 ～ 0.8 m/s）和侧向约束距离（y = 0 ～ 120 mm）下聚乙烯绝缘铜线火焰传播的影响，本研究构建了一个定制的实验平台，如图1(a)所示，该平台由气流供应系统和火焰传播测试系统组成。气流供应系统包括一个轴流风扇（额定功率750 W，最大气流10000 m3/h）和一个使用圆喷嘴阵列（每个直径12 mm）的流场整流部分。

**火焰传播的热传递建模**
在冲击射流下的火焰传播过程中，选择电线的预热区作为控制体积，涉及以下热通量：（1）来自铜芯的传导热通量（q?c″）；（2）来自火焰的对流和辐射热通量（q?ν,f″和q?r,f″）；（3）来自石膏板的对流和辐射热通量（q?ν,g″和q?r,g″）；以及（4）Marangoni对流热通量（q?M,conv″）和向周围环境的热损失（q?loss″）。

**火焰形状**
图5展示了在不同射流速度下，侧向约束距离为30 mm（y = 30 mm）时火焰的形状及火焰前沿的位置。如图所示，在壁射流区，火焰依次经过逆流区、停滞区和顺流区。由于逆风的作用，火焰在逆流区明显变小（Huang等人，2025a）。当风速为0.8 m/s（Uf = 0.8 m/s）时，火焰熄灭。

**结论**
本研究系统地研究了冲击风射流在不同约束距离和风速下对单根电线火焰传播和熄灭行为的影响。首先揭示了冲击风射流流场的特性，然后分析了火焰形状、火焰倾斜角度、火焰宽度和高度以及火焰传播速率等典型参数的变化。通过计算各组分的热通量，建立了热传递模型，用于预测火焰传播速率和熄灭极限，这些模型与实验结果吻合良好。

**作者贡献声明**
黄新杰：撰写——修订与编辑、撰写——初稿、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。
尹志鹏：撰写——初稿、可视化、验证、正式分析、数据管理。
赵越鑫：验证、软件开发、正式分析、数据管理。
盛东：软件开发、实验研究、数据管理。
姚人瑞：软件开发、正式分析。
吴帅帅：验证、正式分析。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号51206002）、安徽省高等学校自然科学基金（项目编号2022AH050288）、中国博士后科学基金（项目编号2018M640536）以及安徽工业大学学生创新与创业培训计划（项目编号S202510360205和S202510360282）的资助。作者对这些支持表示感谢。