燃料深度和侧壁限制对自然通风条件下短隧道内庚烷池火灾燃烧行为的影响

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Influence of fuel depth and sidewall restriction on combustion behavior of heptane pool fires in a short tunnel with natural ventilation

本研究通过缩尺短隧道模型实验，系统探究了近壁距离、油层厚度及燃料尺寸对薄层庚烷池火火焰形态和质量损失率的影响，建立了弱羽流火焰高度及强羽流横向/纵向火焰延伸长度的无量纲预测模型，为隧道火灾防控设计提供理论依据。

　　

陈宇|李冉冉|李曼侯|岳志强|郑华明

合肥工业大学土木工程学院，中国合肥230009

摘要

隧道的封闭性和狭窄特性，加上侧壁限制和增强的辐射反馈，导致液体池火灾的燃烧特性和传热机制变得复杂。对于薄油池火灾，了解燃料深度和侧壁约束共同作用下的燃烧行为具有重要的实际意义，因为这有助于更好地预测复杂隧道环境中的火灾动态。然而，在隧道火灾的背景下，现有模型缺乏同时考虑燃料深度和与侧壁距离的能力。本研究使用一个1:6比例的短隧道模型（3.6米×1.2米×0.6米），并在自然通风条件下，探讨了近壁距离（x_d，0–55厘米）、燃料深度（h_{0，4–12毫米）和燃料尺寸（D = 10、15和20厘米）对薄庚烷池火灾火焰形态和质量损失率的影响。结果表明，在弱羽流条件下，较厚的油层会导致火焰高度较高，并且随着近壁距离的增加而先减小后稳定；在强羽流条件下，左侧火焰延伸长度（rτ,left）随xd增加而增加，而右侧火焰延伸长度（rτ,right）和纵向火焰延伸长度（rl）则减小。当近壁距离固定时，所有三种延伸长度都随燃料深度的增加而增加。质量损失率随着近壁距离的增加呈现出三个阶段的变化趋势：先增加、然后减小、最后稳定。同时，质量损失率最初随燃料深度的增加而增加，随后趋于稳定。最终建立了无量纲形态预测模型，包括弱羽流条件下的火焰高度模型以及强羽流条件下的纵向和左侧火焰延伸长度模型。这些发现填补了理解燃料深度和侧壁约束耦合效应的空白，并增强了人们对隧道安全相关封闭空间火灾动态的理解。当前的研究结果为检测/抑制系统布局和危险区域评估提供了潜在的工程见解。}

引言

中国拥有全球最多的高速公路隧道，包括已投入运营的和正在建设中的。到2024年，中国共有28,724条高速公路隧道。隧道火灾事件的频率不断增加，揭示了独特的火灾特征，即火源可能位于隧道中心线附近或靠近侧壁。这些空间配置通过两种竞争机制影响火焰动态：侧壁的物理限制不仅限制了空气的吸入、燃烧效率和热量释放率，还加剧了受热墙体的辐射热反馈（Ma等人，2023年）。现有的辐射模型中，火焰形态的扭曲已被证明会严重影响视野因素（Guo等人，2022年；Mudan，1987年；Souil等人，1984年），从而直接影响结构的热损伤和潜在的火灾蔓延。此外，在实际的隧道燃料泄漏情况下，液体层厚度通常为几毫米到几厘米。因此，全面研究壁面接近性和燃料层厚度对隧道火灾行为和辐射危害的影响具有基础性和实用性。

根据火灾规模和羽流行为，隧道火灾被分为弱羽流火灾和强羽流火灾。对于前者，羽流不会到达隧道天花板；对于后者，火焰会冲击天花板形成水平喷射（Li等人，2011年）。在强羽流火灾中，天花板喷射火焰的温度和延伸长度是关键参数（Zhao等人，2022年）。由于液体的流动性，液体燃料可能会沿斜坡或排水通道流动，从而扩大火灾区域。隧道池火灾可能从弱羽流转变为强羽流，涉及复杂的热量和质量传递过程，例如靠近侧壁的不对称空气吸入、天花板喷射的扩展以及变化的燃烧速率。因此，深入研究近壁火焰形态和质量损失率是必要的。

对于近壁火灾，通常使用气体燃烧器，因为它们的热量释放率（HRR）较为稳定（Chen等人，2024年；He等人，2024年；Wei等人，2023年）。Thomas（1963年）建立了一个包含燃烧率的无量纲火焰高度模型，指数范围为2/3到2/5。Zukoski等人（1985年）提出了一个描述无量纲火焰高度和HRR之间关系的公式。Heskestad（1983年）引入了一个基于虚拟原点的开放空间火焰高度模型。Gao等人（2016a年）研究了隧道中的壁附池火灾，并观察到火焰高度随着火源靠近侧壁而增加。靠近侧壁的空气吸入量减少到中心线的46%。Zhang等人（2021b年）在各种约束条件下研究了不对称吸入现象，并验证了用于表征吸入行为的“镜像源”理论。Zhang等人（2023年）和Pan等人（2020年）独立开发了沿弯曲隧道壁的火焰延伸长度模型。Yi等人（2020年）使用缩比实验研究了火灾位置对乙醇池火灾的影响，揭示了壁附火灾中的三维流动结构。

已经研究了隧道中液体池火灾的燃烧速率。观察到，当液池从中心线向侧壁移动时，n-庚烷的质量损失率会增加，这是由于辐射增强；然而，当火源非常靠近侧壁时，由于吸入受限，质量损失率显著降低（Ji等人，2015b年）。然而，这种竞争机制的定量模型尚未建立。Zhou等人（2020年）观察到在拱形隧道中，靠近侧壁处的HRR和火焰倾斜度增加。Fan等人（2017年）发现，随着热流计与火源之间距离的增加，下游热流密度减小。此外，壁挂式火灾的热流密度高于中心线火灾。Fu等人（2017年）报告称，壁挂式甲醇火灾的质量损失率较高，但与中心线火灾相比较低。Guo等人（2023年）量化了热反馈，并发现近壁火灾中的辐射和对流反馈更高。Ding和Quintiere（2012年）开发了一个与火源功率和天花板高度相关的天花板火焰延伸长度的积分模型。Chen等人（2020年）在通风条件下研究了热流，并发现热流首先增加，然后在下游减小，峰值热流在较高通风速度时偏离火源。Li等人（2021年）观察到在封闭环境中的燃烧速率高于开放空间，这归因于增强的热反馈。

总之，在隧道火灾的背景下，现有模型缺乏同时考虑燃料深度和与侧壁距离的能力，特别是在羽流行为和传热方面（Luo等人，2024年）。现有模型在这种复杂条件下的适用性尚未得到充分验证。基于火灾动态理论，本研究使用缩比隧道系统研究了弱羽流和强羽流的火焰形态演变，以及质量损失率对近壁距离和油层厚度的非线性响应。根据测量和尺寸分析，建立了弱羽流隧道火灾中的火焰高度和强羽流隧道火灾中天花板火焰延伸长度的无量纲预测模型。这些发现旨在增强对封闭隧道空间火灾动态的理解，为隧道火灾防护设计和应急响应优化提供数据支持。

实验条件

实验在一个防火室内进行，该房间设计用于有效屏蔽环境气流干扰，确保火灾测试的准确性和可靠性。n-庚烷池被选为火源，因为其燃烧特性稳定。使用了一个1:6比例的隧道进行测试，其尺寸长度（L）×宽度（B）×高度（H）= 3.6米×1.2米×0.6米。隧道非常短，即长度是宽度的3倍，高度是宽度的6倍。此外，没有强制

火焰形态

在隧道火灾中，使用两个关键温度升高值来分析羽流冲击行为：ΔT₀ = 400 K和ΔT₀ = 600 K（Gao等人，2016b）。在基于弗劳德原理的缩比火灾模型中，温度被视为一个恒定量。因此，这些特征温度在1:6比例的隧道中仍然有效。冲击点处的温度升高ΔT₀ < 400 K、400 K < ΔT₀ < 600 K和ΔT₀ > 600 K分别对应于浮力羽流冲击天花板、间歇性火焰和

结论

本研究通过综合理论分析和实验测量，研究了隧道中薄层庚烷池火灾的火焰形态和质量损失率。建立了火焰高度和火焰延伸长度的无量纲预测模型。主要结论如下：

(1)?火焰形态：

在弱羽流条件下（D = 10厘米），较厚的燃料层会导致火焰高度较高。随着近壁距离的增加，火焰高度（H_f）先减小，然后

作者贡献声明

陈宇：撰写——原始草稿。李冉冉：方法论、数据整理。李曼侯：撰写——审稿与编辑、监督。岳志强：数据整理。郑华明：方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52476111和52176103）和合肥市自然科学基金（编号HZR2508）的支持。