集中排烟模式下长大城市隧道火灾烟气蔓延与分层特性研究

集中排烟模式作为隧道安全有效的排烟模式，在条件受限的长大城市交通隧道中有着广泛的应用前景，但目前相关工作相对较少，在基础理论和设计方法上尚需深入研究。本项目从长大城市隧道火灾烟气蔓延与分层的基本现象入手，综合运用全尺度试验、缩小比例实验、数值模拟以及理论分析方法，系统研究长大隧道火灾中热量、烟气、通风以及隧道边界之间的相互作用关系，分析影响长大隧道集中排烟效果的主要因素与规律，发展长大隧道集中排烟模式的半经验数学模型，解决长大城市隧道通风排烟应用设计目前迫切需要的关键问题。本项目研究成果不仅可为我国长大城市隧道的集中排烟模式应用设计提供科学的理论、数据和方法，同时研究涉及的非定常多维多相流动、传热传质、湍流等复杂过程也将丰富火灾科学的理论体系。

火灾烟气是造成隧道火灾中人员群死群伤的罪魁祸首，如何对隧道火灾烟气进行有效控制是隧道消防工程和火灾科学研究关注的热点问题。集中排烟模式作为隧道通风排烟的方式之一，在长大城市交通隧道中有着广泛的应用。但是，我国目前还没有相应的标准对长大城市交通隧道的火灾排烟进行指导，设计参数、设施配置等方面也没有现成的规范可循，因此迫切需要在基础理论和技术方法上深入研究。. 本项目从长大城市隧道火灾烟气的基本现象入手，综合运用理论分析、缩小比例实验、全尺度试验以及数值模拟分析，系统性研究集中排烟模式下长大交通隧道火灾烟气的蔓延机理与分层特性，分析热量、烟气、通风与隧道之间的相互作用关系，研究影响集中排烟效果的主要因素与规律，发展长大城市隧道集中排烟模式的系统计算方法。项目通过理论分析和缩小比例实验研究了浮力驱动下火灾烟气流在隧道火源上下游的输运特性，获得了烟气在隧道纵向和垂直方向的温度场分布规律，提出了基于双区域模型的隧道空间温度分布指数函数；通过缩小比例实验研究了隧道烟气逆流、局限风速和烟气分层，得出了烟气逆流距离L和局限速度V之间的线性关系，火源功率Q和局限速度V之间的幂函数关系，燃料质量损失速率和烟气分层和局限速度V之间的对应关系；通过缩小比例实验结合数值模拟研究了烟气在隧道排烟口和排烟道内的流动特性，获得了隧道纵向方向的排烟口和排烟道内的烟气速度场分布规律，研究了排烟口处烟气层吸穿现象，得到了烟气层吸穿机理以及其对集中排烟效果的影响规律；通过数值模拟结合全尺度试验研究了火源功率、风机排量、排烟口大小、开启方式、火源与排烟口之间的距离、纵向补风风速等因素对隧道集中排烟效果的影响，建立了基于最佳排烟效果的系统优化方法，获得了系统设计的关键技术参数以及排烟组织方案。. 本项目研究成果解决了隧道集中排烟模式下系统设计的关键技术问题，可直接指导隧道集中排烟系统的设计与应用，对城市长大交通隧道消防工程设计标准及规范的修订等提供了理论依据与技术支撑。