纵向通风且两端封闭的城市公用隧道中的火焰形态及最高内部温度

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Flame morphology and maximum ceiling temperature in a longitudinally ventilated, both-ends closed urban utility tunnel

　　沈琳杨 | 张玲玲 | 曹比特 | 李冉冉 | 郑华明 | 李曼厚
中国合肥工业大学土木工程学院，合肥 230009

**摘要**
城市公用隧道通常具有两端封闭的边界条件，在这种条件下，火焰形态和最大天花板温度可能与开放式车辆隧道中的情况有显著差异。为了系统研究这种特性在纵向通风、两端封闭的公用隧道中的表现，使用1:8比例的试验平台进行了一系列实验，以考察纵向通风速度、热量释放率（HRR）、火源位置和火源高度的影响。结果表明，将火源向封闭端移动会导致火焰倾斜角度先增大后减小，而火焰长度和最大天花板温度则呈反比关系。提高火源高度或HRR会减小火焰倾斜角度，但会增加火焰长度和最大天花板温度。相反，通风速度会增加火焰倾斜角度，但会降低最大天花板温度。在强烟羽条件下，通风速度对火焰长度的缩短效果明显，而在弱烟羽条件下则可以忽略不计。通过量纲分析建立了一个最大天花板温度升高的预测模型，其相对误差低于20%。这些发现为理解纵向通风条件下两端封闭的城市公用隧道中火焰形态和最大天花板温度的流动驱动特性提供了见解。

**引言**
城市公用隧道是现代城市中的关键基础设施，集成了电力、电信、燃气和水管等设施。然而，多个公用系统的共存及相关的可燃成分给公用隧道带来了显著的火灾风险（Li等，2025）。与开放式隧道不同，公用隧道通常由防火门分隔成多个隔间，因此在火灾时会形成两端封闭的边界条件。在这种纵向限制下，热烟无法自由通过出入口排出，火焰形态和最大天花板温度可能与开放式隧道中的情况有显著差异。在车辆隧道火灾中，通常采用机械通风来控制烟雾流动和热条件。然而，在中国现行的技术规范（GB-50838，2015）中，主要采用灾后通风策略，即在火灾扑灭后启动通风系统以清除残留烟雾（Cai等，2024；Luo等，2024）。设计实践中并未明确排除火灾期间的通风。在马来西亚和西班牙的一些公用隧道项目中，设计了防火门在火灾期间仍可正常运行的通风系统（Adnan和Heng，2003；Ramírez Chasco等，2011）。因此，公用隧道系统中可能会出现结合机械驱动的纵向通风和两端封闭的配置。

**文献综述**
许多研究探讨了火灾期间公用隧道中机械通风的效果。Zheng等（2020）表明，在优化通风条件下，可以抑制烟雾回流并限制火焰蔓延。An等（2021）报告称，在某些条件下，火灾期间的通风有助于烟雾清除并降低天花板温度，而Wang和An（2023）指出，通风也可能通过提供额外氧气加速火焰蔓延。Cao等（2025）研究了空气幕在分隔式公用隧道中的烟雾控制效果，作为防火门的替代方案。Bai等（2025）考察了通风和细水雾在公用隧道火灾初期对火灾发展的协同作用。总体而言，这些研究表明通风可以显著改变公用隧道中的火灾行为和热条件；然而，机械驱动通风与两端封闭相结合的效果很少被研究，尤其是在火焰形态和最大天花板温度方面。

**火焰形态特性**
火焰形态特性（如火焰高度、倾斜角度和长度）对于理解火灾行为至关重要（Sun等，2023；Hu等，2013）。Tang等（2016）比较了开放空间和侧壁封闭条件下的火焰行为，发现火焰长度先减小、然后增大，最后再次减小；此外，火焰倾斜角度随风速增大而增大。在通风条件下，火焰形态受到热量释放率（HRR）和通风速度的影响。在较低HRR下，火焰无法触及天花板，其行为类似于开放空间。在较高HRR下，增强的浮力会使火焰触及天花板并沿其表面蔓延，形成天花板延伸火焰（Guo等，2020）。Qiu等（2018）揭示了天花板下方上下游方向的火焰延伸特性，并建立了一个无量纲模型来描述火焰延伸长度。Zhang等（2023）研究了火源位置对纵向通风隧道中火焰长度和倾斜角度的影响，发现当火源靠近侧壁时，火焰倾斜角度减小。这些研究主要集中在开放式隧道中，因为烟雾可以通过出入口排出。

**两端封闭的公用隧道**
Pan等（2020）报告称，在两端封闭的公用隧道中，火源与弯曲侧壁之间的距离显著影响火焰曲率。Gao等（2026）观察到，在单端封闭的隧道中，当火源靠近封闭端时，火焰倾斜角度减小。然而，目前尚不清楚在两端封闭条件下，纵向通风如何与火源位置相互作用以重塑火焰形态。

**通风控制下的隧道火灾**
关于通风控制下的隧道火灾，大量研究集中在天花板温度分布上。Kurioka等（2003）研究了纵向通风速度和HRR对隧道最大天花板温度的影响，并提出了一个经验公式来估算天花板下的最大温度升高：
ΔTmax = γ(Q??2/3Fr1/3)
其中，无量纲HRR和弗劳德数定义为：
Q?? = Q?/(ρacpTag1/?Hef?/2)，Fr = u2/(gHef)。
Hu等（2006）使用全尺寸实验数据验证了公式（1）。然而，Li等（2011）指出，在相对较低的纵向通风速度下，公式（1）与实验结果存在偏差。基于缩比实验和理想烟羽模型，他们根据通风速度将最大天花板温度升高分为两个不同的阶段：
ΔTmax = Q?ub01/3Hef?/3（u′>0.19）；ΔTmax = Q?2/3Hef?/3（u′≤0.19）
其中，u′ = u/(Q?cgb0ρacpTa)1/3表示无量纲纵向通风速度。

**结论**
本研究使用受控的丙烷燃烧器进行了缩比实验，考虑了纵向火源位置、高度、HRR和通风速度的影响，考察了纵向通风速度、HRR、火源位置和高度对火焰形态和最大天花板温度的影响。研究重点关注火焰形态和最大天花板温度的流动驱动特性，而非特定材料的燃烧特性。这些结果有助于更清楚地理解纵向通风条件下两端封闭的公用隧道中火焰形态和最大天花板温度的流动驱动特性。

**缩比实验平台**
弗劳德相似性标准在缩比火灾实验研究中得到了广泛应用（Tang等，2020；Tang等，2017；Zhang等，2023；Zhang等，2024）。在本研究中，设计了一个1:8比例的单隔间公用隧道，参考实际隧道隔间长度为200米。根据弗劳德原理，关键物理量（如HRR、温度和速度）的缩放关系为：
Q?M/Q?F = (LM/LF)?/2，TM = TF，uM/uF = ...

**火焰形态特性**
火焰倾斜角度反映了热浮力和纵向气流惯性的平衡（Hu等，2013）。图6展示了当火源位于x = 12.5、6.8和1.8米处，Q? = 15 kW和z = 0.1米时，不同通风速度下的火焰行为。在这些情况下，火焰属于强烟羽冲击区域，火焰间歇性或连续性地冲击天花板。如预期，火焰倾斜角度随通风速度增加而增大。

**结论**
通过1:8比例的封闭公用隧道实验，研究了纵向通风速度、HRR以及火源位置和高度对火焰形态和最大天花板温度的影响。主要结论如下：
（1）火焰倾斜角度随纵向通风速度增加而增大，但随着HRR或火源高度的增大而减小。从空间上看，当火源从隧道中心向封闭端移动时，倾斜角度会发生变化。

**作者贡献声明**
沈琳杨：撰写——原始草稿；张玲玲：撰写——原始草稿、数据整理；曹比特：项目管理；李冉冉：验证；郑华明：方法论、数据整理；李曼厚：撰写——审稿与编辑、监督。

**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52476111、52176103和52206139）和中央高校基本科研业务费（项目编号JZ2024HGTG0303）的支持。作者还感谢国家火灾科学重点实验室提供的实验技术和设备支持。