侧壁限制对矩形燃烧器在分岔隧道中的扩散火焰行为及最大过热度特性的影响

《Energy》：Effects of sidewall restriction on the diffusion flame behaviors and maximum excess temperature characteristics of rectangular burner in bifurcated tunnels

　　分岔隧道侧墙火焰扩散行为及顶部最大超温温度预测模型研究，通过实验分析燃烧器长宽比、有效火源高度和热释放速率对火焰高度及横向延伸长度的影响，发现长宽比增至8时火焰高度先升后降，并建立适用于分岔隧道的侧墙火焰扩散模型及超温预测公式，为隧道火灾防控提供理论依据。

　　

李志生|李浩楠|兰书云|严宇文|张玉春|张建宁|刘丹|高云吉|侯伟

引言

由于能量释放失控（例如隧道内的车辆火灾）而产生的扩散火焰会导致火焰迅速而广泛地传播和能量分布，从而增加热量和污染物排放，对隧道结构、设施以及被困在其中的个人构成重大威胁[1]，[2]。天花板喷流的特征（包括火焰形状和天花板温度）被认为是能量检测、控制和污染缓解三个最关键因素。隧道的长而狭窄的设计导致侧壁约束，这显著影响了隧道火灾期间的空气吸入、火焰传播和温度分布[3]，[4]，[5]，[6]。因此，预测天花板下方侧壁火灾的扩散火焰动态和温度对于隧道内的消防安全评估至关重要。近年来，越来越多的多分支隧道被建成[7]，[8]。隧道的交叉区域容易发生车辆碰撞，由此引发的火灾对火灾救援和控制带来了巨大挑战。

由于隧道天花板的限制，隧道火灾中扩散火焰的行为通常被分为两种类型：弱羽流情况下的火焰高度和强羽流情况下的火焰延伸长度（图1）。Hasemi[9]，[10]确定了燃烧器侧长作为决定性因素，并提供了关于开放空间中方形和矩形火源的火焰高度的预测相关性。Kulkarni[11]提出了一种使用矩形燃烧器特征长度（0.28米长，0.038米宽）的火焰高度关系。Back等人[12]研究了当火源固定在墙上时火焰高度的波动情况，燃烧器侧长范围从0.28米到0.7米，使用丙烷作为燃料。Zhang等人[13]使用丙烷气体燃料研究了燃烧器长度-宽度比为1、8、18和71时的火焰高度变化。Gao等人[14]使用甲醇燃料进行了方形池火实验，采用缩放的单点进出模型，并提供了当火源位于隧道中心轴和墙壁时火焰高度的预测相关性。Ji等人[15]通过在开放空间和侧壁限制情况下进行一系列液体池火实验，提出了火焰高度的相关性。对于由强羽流驱动的火灾场景，Hinkley等人[16]最初对两端密封的通道天花板下的火焰传播进行了实验研究，重点研究了强羽流。Gao等人[17]基于单点进出口隧道尺寸测试装置，研究了在侧壁限制条件下方形燃烧器不同有效高度下的火焰横向延伸长度的变化。Fan等人[18]使用庚烷作为能源燃料进行了一系列测试，研究了横向火源位置对隧道内火焰延伸长度的影响。Tang等人[19]研究了燃烧器宽高比对侧壁限制下横向火焰传播长度的影响。研究结果表明，随着燃烧器宽高比的增加，火焰传播长度逐渐增加。Pan等人[20]和Zhang等人[21]研究了弧形天花板对隧道内火焰传播长度的影响。关于天花板下方的最大过量温度，Alpert[22]最初制定了可用的相关性，以量化扩展内部环境中天花板喷流的最大过量气体温度。近年来，Kurioka[23]和Li等人[24]引入了一个预测模型，考虑了隧道横截面和纵向通风对天花板下方最大过量温度的影响。随后，Li等人[25]改进了他们的模型，以适应温和和强烈的火羽流场景。上述模型忽略了实际隧道火灾中产生的能源源通常是矩形的这一事实。Ji等人[26]进行了一系列矩形池火实验，并对单个隧道内的最大过量温度进行了理论估计。提出了一个使用McCaffrey相关性[27]的改进预测模型。

然而，大多数关于侧壁火灾行为的研究都是在开放空间或单管隧道中进行的，对分叉隧道的研究有限。有强有力的证据表明，在有天花板限制的情况下，火焰高度比没有天花板的情况下更高，以便更多的空气向上扩散[28]，[29]。在单隧道火灾中，火羽流上升然后径向扩散，最后在天花板下方积聚。然而，在分叉隧道火灾的情况下，径向生长的羽流部分流入斜坡，减少了主隧道中的能量[7]，[30]，[31]。因此，这些相关性是否适用于分叉隧道中的侧壁扩散火焰尚不确定，需要进一步研究。

本研究的目的是了解当气体燃烧器朝向分叉隧道交叉处的侧壁时，天花板的最大过量温度和扩散火焰行为。通过改变总能量释放率、燃烧器宽高比和有效火源高度，定量研究了火羽流行为。此外，还努力创建了可以预测天花板下方最大过量温度、火焰延伸长度和火焰高度的经验模型。本研究将为洒水器和热探测器的最佳布置提供科学上的支持，从而提高能量检测和冷却效率，并实现最终的能量控制。

实验部分

实验

实验装置如图2所示。实验在一个1/10比例的分叉隧道模型中进行，该模型由一个主隧道和一个斜坡隧道组成。主隧道和斜坡隧道的长度分别为10米和5米。主隧道和斜坡隧道的横截面分别为1.0米×0.6米和0.71米×0.6米。为了保持高延展性结构，所有的隧道墙壁和天花板都经过建造

侧壁限制对火焰高度的影响

图3展示了分叉隧道交叉处侧壁火灾与隧道中心线火灾之间扩散火焰特性的比较分析。火源附着场景下的火焰高度超过了位于隧道中心线的火源。由于侧壁在火羽流上升和演变过程中的限制，空气吸入受到限制。为了获得更多的空气以维持燃烧，火焰会上升

结论

本研究在分叉隧道的交叉区域进行了一系列侧壁火灾实验，改变了燃烧器宽高比、有效火源高度和热量释放率。本研究将早期经典模型、现代模型与分叉隧道中的中心火灾场景进行了比较，并得出了测试结果。主要发现包括：

(1)

随着燃烧器的长宽比n从1增加到8，火焰高度最初经历了

作者贡献声明

侯伟：验证、正式分析。高云吉：验证、项目管理、资金获取、正式分析。刘丹：正式分析、数据管理。张建宁：调查、正式分析、数据管理。李浩楠：调查、正式分析、数据管理。李志生：撰写——初稿、方法论、调查、资金获取。张玉春：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理。严宇文：调查，

利益冲突声明

本文作者声明他们没有已知的、可能影响所报告研究的可识别财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（NSFC）项目编号52508440、52278415和52478415、河北省自然科学基金项目编号E2025402033、河北省教育厅科技项目编号QN2025304以及四川省科技计划项目编号2023YFS0407的资助。作者确认与本文的发表没有利益冲突。