重点排烟隧道火灾烟气最大温升试验研究.pdf

1、消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期消防理论研究重点排烟隧道火灾烟气最大温升试验研究张缓缓,张树川,朱紫燕,赵宗玉（安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001）摘要：为探究重点排烟隧道火灾时顶棚烟气最大温升规律，通过 1 10 的缩尺寸试验，研究隧道火灾时在不同的火源功率、火源位置和排烟量下，火羽流发展过程和隧道纵向中心线上顶棚烟气温度分布规律。根据量纲分析方法，推导出顶棚下方最大温升的数学模型。结果表明：隧道纵向中心线上最高温度的位置不随排烟量而变化，但顶棚烟气最高温度随排烟量的增加而降低、随火源功率和火源与排烟口间距的增加而升高；无量纲最大温升与无量纲火源

2、位置的 0.034次幂成正比，且随火源功率的增加而增大。关键词：重点排烟；量纲分析；火源位置；排烟量；最大烟气温升中图分类号：X913.4；U459 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）08-1067-07隧道的通风与排烟系统是隧道建设和运营过程中的重要技术问题。根据 GB 50016-2014（2018 版）建筑设计防火规范，重点排烟是横向排烟方式的一种特殊情况，即在隧道纵向设置专用排烟风道，并设置一定数量的排烟口，火灾时只开启火源附近或火源所在设计排烟区的排烟口，直接从火源附近将烟气快速有效地排出行车道空间，并从两端洞口自然补风，隧道内可形成一定的纵向风速。该排烟方式适

3、用于双向交通隧道或经常发生交通阻塞的隧道。我国采用重点排烟模式的隧道有上海长江隧道、杭州庆春路过江隧道及钱江隧道1。由于隧道空间狭长等特点，隧道发生火灾时顶棚下方会迅速积累热量和大量烟气，使温度急剧上升、行车道的能见度降低，而破坏隧道结构、影响人员疏散逃生并增大火灾救援难度。根据前人研究，隧道火灾产生的高温有毒烟气是造成人员伤亡的重要原因2，且顶棚高温对隧道结构的破坏程度是估算安全救援时间的主要依据3。因此，研究隧道顶棚烟气最高温度具有重要的现实意义。目前，针对隧道顶棚下方烟气温度的研究表明，隧道火灾烟气温度受到很多因素的影响，如火灾规模、通风风速、火源位置及隧道几何尺寸等。ALPERT R

4、L4通过研究烟气顶棚射流建立了非受限条件下顶棚下方最高温升的数学模型，表明顶棚下方最高温升与火源功率、火源高度及火源与侧壁距离有关。KURIOKA H 等5搭建横截面不同的缩尺寸隧道，研究了纵向风对隧道火灾烟气最高温度的影响并得出隧道顶棚下方的最高烟气温升预测 模 型。胡 隆 华、李 开 源、赵 望 达 等3，6-7验 证 了KURIOKA H 建立模型的适用性并进行了修正。LI Y Z等8根据轴对称火灾羽流理论对顶棚下的最高烟气温度进行了缩尺寸试验研究。朱伟等9研究了纵向风对不同火源条件下隧道近火源区顶棚烟气最高温度的影响，结果表明纵向风作用时顶部最高温升位置向下游呈现“两次移动”特征。易亮

5、等10、JI J 等11分别采用缩尺寸试验、数值模拟等方法，引入坡度修正系数，建立了坡度隧道中心线处顶棚烟气温度预测模型。陈滔等12通过缩尺寸试验分析火源附近区域烟气的温度，确定了竖井自然通风下隧道内最不利火源位置。张时等13通过数值模拟研究了火焰受限时顶棚烟气最高温度随火源功率和火源高度的变化规律。综上可知，前人对隧道顶棚下方温度的研究大多考虑自然通风及纵向风的影响，对于重点排烟隧道火灾大多研究排烟口间距以及数量等对烟气流动、排烟效果的影响，重点排烟隧道火灾顶棚烟气最高温度的研究较少。为了探究隧道内两个排烟口间发生火灾时烟气温度的分布规律，拟通过一系列缩尺寸试验对隧道内火灾烟气温度规律进行分

6、析，研究火源功率、排烟量及火源与排烟口间距对顶棚最大温升的影响，以期为隧道火灾探测、人员疏散和火灾救援提供参考。1试验设计1.1缩尺寸试验台根据 Froude 相似试验准则设计缩尺寸隧道试验台，准则中各项参数比例关系为（下标为 p的参数表示实体参数，下标为 m 的参数表示模型参数）：（1）尺度 L 比例：Lm/Lp=1/10；（2）温度 T 比例：Tm/Tp=1；（3）压力 p 比例：pm/pp=Lm/Lp；（4）流量 V比例：Vm/Vp=(Lm/Lp)5/2；（5）火源功率 Q 比例：Qm/Qp=(Lm/Lp)5/2；（6）时间 t 比例：tm/tp=(Lm/Lp)1/2。缩尺寸隧道试验台长

7、 10.5 m、宽 1.0 m、高 0.6 m，坡度为 0。模型隧道主体由 7节 1.5 m 的长方体钢结构单元体构成，上下壁面及靠墙面一侧的壁面采用石膏防火板，另一侧壁面用防火玻璃，以便在试验时观察火焰燃烧形态及烟气蔓延情况；隧道两端开放。距隧道入口 1.35 m的上壁面横向中心设有一个尺寸为 30 cm30 cm 的排烟口，出口端设置集烟罩。试验台如图 1所示。试验过程中燃料燃烧至 19 s开启风机进行排烟。通过调节风机的频率改变排烟口风速，以满足所需的排烟量。试验前多次测量风机频率稳定时排烟口处的风速，取不同风机频率下风速多次测量结果的平均值，风机频率与风速的对应关系见表 1；为保证风速

8、均匀和稳定，在排烟道内风机与排烟口间设置整流段。烟气温度采用温1067Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8度采集仪和 K 型热电偶。在距隧道入口 0.3510.35 m 沿隧道纵向中心线每隔 0.25 m 布置一个 K 型热电偶，热电偶距隧道顶板 0.5 cm14。选取正庚烷为燃料，用 5种不同尺寸的油盘模拟不同的火灾工况。具体试验工况设计见本文 1.2节。1.2试验工况为探究不同火源功率、排烟量以及火源与排烟口间距对顶棚烟气最大温升的影响，试验参数设计如下：油盘尺寸选取 10 cm10 cm、15 cm15 cm、15 cm2

9、0 cm、20 cm20 cm、20 cm25 cm；排 烟 量 设 置 为 0、0.045、0.090、0.135、0.180、0.225 m3/s；设置沿隧道纵向火源与排烟口的间距为 0.5、1.5、2.5、3.5、4.5 m，油盘位于隧道横截面的中心线上。试验工况设计如表 2所示。2试验结果与分析2.1火羽流发展过程及火源功率的计算2.1.1火羽流发展过程图 2展示了 A、D 组油盘燃烧的火羽流发展过程。油盘燃烧经历了 4个阶段：（1）初始燃烧阶段：点火后油盘中燃料随着其表面温度升高而汽化，该阶段火羽流较小且不稳定；（2）过渡阶段：燃料蒸汽在浮力的作用下呈现竖直向上卷吸空气并燃烧的状态，

10、火羽流逐渐增大；（3）稳定燃烧阶段：该阶段火羽流呈现稳定燃烧状态；（4）逐渐熄灭阶段：火羽流随可燃组分的消耗逐渐衰弱直至熄灭。稳定燃烧阶段中各油盘火羽流呈现不同形态，A 组油盘火焰顶端间歇性接触顶棚，而 B、C、D、E 组油盘火焰顶端持续接触隧道顶棚，其中 B、C 组形成较小面积的顶棚射流区，D、E组形成大范围的顶棚射流。2.1.2火源功率计算火源功率即火源热释放速率，指在火灾过程中单位时间内火源所释放的热量，用来表征火势的严重程度，在火灾过程中起决定性的作用，会直接影响火区温度及烟气特性。计算公式见式（1）。Q=mH（1）式中：Q为热释放速率，kW；m为质量损失速率，g/s；H为燃烧物的热值

11、，正庚烷的燃烧热值为 4.46104 J/g；为燃烧效率，取 0.753。燃烧物的质量损失速率由记录燃料质量随时间变化的电子天平采集的数据计算得出。以 E 组油盘、火源与（a）正视图（b）侧视图图 1缩尺寸隧道试验台Fig.1Reduced tunnel test platform表 1风机频率与风速对应关系Table 1Correspondence between fan frequency and wind speed风机频率/Hz01525354550风速/m/s00.450.520.861.001.401.531.922.112.382.56风量/m3/s00.0450.0900.13

12、50.1800.225表 2缩尺寸试验工况Table 2Experimental conditions of reduced size序号1303160619091120121150油盘尺寸/cmcmA：1010B：1515C：1520D：2020E：2025火源与排烟口间距/m0.5、1.5、2.5、3.5、4.5排烟量/m3/s无排烟0.0450.0900.1350.1800.225燃烧至 35 s燃烧至 80 s燃烧至 170 s燃烧至 210 s（a）10 cm10 cm燃烧至 30 s燃烧至 75 s燃烧至 150 s燃烧至 180 s（b）20 cm20 cm图 2油盘燃烧的火羽流

13、发展过程Fig.2The plume development of oil pan combustion排烟口间距 0.5 m、无排烟工况为例分析燃料质量损失过程，如图 3所示。时间/s0 25 50 75 100 125 150 175 200 2251 7401 7201 7001 6801 6601 6401 6201 6001 5801 5601 540质量/g初始燃烧阶段过渡阶段稳定燃烧阶段逐渐熄灭阶段图 3E组油盘的燃料质量损失Fig.3Fuel mass loss of oil pan E由图 3可知，质量损失速率随燃烧发展显著增大。当形成较大面积的顶棚射流时，火羽流对燃料表面的

14、热反馈增强，使更多的可燃液体蒸发，卷吸量相同时，可燃组分为了燃烧，需从更远的距离卷吸更多的空气，使火焰射流长度更远、射流区面积更大，进而火羽流对燃料液面的热反馈继续增强，经过反复耦合交错上升，使质量损失速率明显增大并出现了拐点15。E组油盘火在 75100 s出现了拐点。燃烧至 105 s后进入稳定燃烧阶段，取该阶段曲线的斜率平均值为该组工况的质量损失速率。经试验测定，各工况燃料的质量损失速率主要受油盘尺寸的影响，随排烟量和火源位置的变化不大，故取不同排烟量、火源位置工况时质量损失速率的平均值为各尺寸油盘的质量损失速率，如表 3所示。2.2顶棚烟气纵向温度分布试验的设计目的是探究重点排烟隧道发

15、生火灾时顶棚烟气温度分布规律，经分析和归纳各工况的烟气温度，从三个角度分析。由于工况数量较多，以特定工况的烟气温度分布举例展示具有相似分布规律的其他工况。2.2.1火源功率对隧道顶棚温度分布的影响隧道发生火灾后开启风机是为了将烟气排出隧道，以便提高隧道内能见度、降低隧道内的温度。为探究排烟量变化对隧道顶棚烟气纵向温度的影响，设置不开启重点排烟的工况作为参照组。图 4 以火源距排烟口 1.5 m 和 3.5 m 为例，展示了不开启重点排烟时隧道顶棚烟气纵向温度分布。由图 4 可知，不考虑隧道内纵向风的情况下，火源位置一定、相同排烟量时，顶棚烟气最大温度点在火源的正上方；随着火源功率的增大，顶棚烟

16、气最大温度升高。而火源两侧的烟气温度呈对称分布，沿隧道纵向不断衰减，是由于烟气向隧道两端扩散的过程中与隧道壁面和周围气体存在热辐射及对流换热，且烟气层流动过程中不断卷吸隧道下方的冷空气，导致烟气温度降低。距火源 1 m 外的烟气受到火羽流辐射传热的影响较小，故远离火源处的烟气温度受火源功率影响不显著，由此可知火源功率对火源附近区域烟气温度的影响较大。沿隧道纵向位置/m1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.58007006005004003002001000顶棚温度/4.02 kW13.92 kW15.53 kW18.58 kW33.47 kW（a）火源距排烟口 1.5 m沿隧道

17、纵向位置/m1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.58007006005004003002001000顶棚温度/4.02 kW13.92 kW15.53 kW18.58 kW33.47 kW（b）火源距排烟口 3.5 m图 4无重点排烟时隧道顶棚纵向温度Fig.4Longitudinal temperature of tunnel roof without point smoke exhaust2.2.2排烟量对隧道顶棚温度分布的影响图 5 为 D 组油盘、火源距排烟口 2.5 m 工况下隧道顶棚温度随排烟量变化图。由图 5可知，火源功率和火源位置相同时，增大排烟量会降低火源正

18、上方隧道顶棚烟气温度；而远火源区烟气温度随着排烟量增大变化较小。故排烟量对近火源区烟气温度的影响高于远火源区的烟气温度。2.2.3火源位置对顶棚烟气温度分布的影响图 6展示了 C 组油盘、排烟量为 0.225 m3/s时隧道顶棚温度变化，排烟口位于沿隧道纵向位置 1.5 m 处。由图6 可以看到，不同火源与排烟口间距时，顶棚烟气温度沿隧道纵向分布规律一致；火源两侧的烟气温度以火源为中心呈对称分布，沿隧道两侧递减；隧道内顶棚烟气最大温度始终在火源正上方，且随着火源距排烟口越远，顶棚表 3各油盘尺寸的质量损失速率及对应的火源功率Table 3Mass loss rate and correspon

19、ding fire power of each oil pan size1068消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期排烟口间距 0.5 m、无排烟工况为例分析燃料质量损失过程，如图 3所示。时间/s0 25 50 75 100 125 150 175 200 2251 7401 7201 7001 6801 6601 6401 6201 6001 5801 5601 540质量/g初始燃烧阶段过渡阶段稳定燃烧阶段逐渐熄灭阶段图 3E组油盘的燃料质量损失Fig.3Fuel mass loss of oil pan E由图 3可知，质量损失速率随燃烧发展显著增大。当形成较大面积的

20、顶棚射流时，火羽流对燃料表面的热反馈增强，使更多的可燃液体蒸发，卷吸量相同时，可燃组分为了燃烧，需从更远的距离卷吸更多的空气，使火焰射流长度更远、射流区面积更大，进而火羽流对燃料液面的热反馈继续增强，经过反复耦合交错上升，使质量损失速率明显增大并出现了拐点15。E组油盘火在 75100 s出现了拐点。燃烧至 105 s后进入稳定燃烧阶段，取该阶段曲线的斜率平均值为该组工况的质量损失速率。经试验测定，各工况燃料的质量损失速率主要受油盘尺寸的影响，随排烟量和火源位置的变化不大，故取不同排烟量、火源位置工况时质量损失速率的平均值为各尺寸油盘的质量损失速率，如表 3所示。2.2顶棚烟气纵向温度分布试验

21、的设计目的是探究重点排烟隧道发生火灾时顶棚烟气温度分布规律，经分析和归纳各工况的烟气温度，从三个角度分析。由于工况数量较多，以特定工况的烟气温度分布举例展示具有相似分布规律的其他工况。2.2.1火源功率对隧道顶棚温度分布的影响隧道发生火灾后开启风机是为了将烟气排出隧道，以便提高隧道内能见度、降低隧道内的温度。为探究排烟量变化对隧道顶棚烟气纵向温度的影响，设置不开启重点排烟的工况作为参照组。图 4 以火源距排烟口 1.5 m 和 3.5 m 为例，展示了不开启重点排烟时隧道顶棚烟气纵向温度分布。由图 4 可知，不考虑隧道内纵向风的情况下，火源位置一定、相同排烟量时，顶棚烟气最大温度点在火源的正上

22、方；随着火源功率的增大，顶棚烟气最大温度升高。而火源两侧的烟气温度呈对称分布，沿隧道纵向不断衰减，是由于烟气向隧道两端扩散的过程中与隧道壁面和周围气体存在热辐射及对流换热，且烟气层流动过程中不断卷吸隧道下方的冷空气，导致烟气温度降低。距火源 1 m 外的烟气受到火羽流辐射传热的影响较小，故远离火源处的烟气温度受火源功率影响不显著，由此可知火源功率对火源附近区域烟气温度的影响较大。沿隧道纵向位置/m1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.58007006005004003002001000顶棚温度/4.02 kW13.92 kW15.53 kW18.58 kW33.47 kW（a）

23、火源距排烟口 1.5 m沿隧道纵向位置/m1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.58007006005004003002001000顶棚温度/4.02 kW13.92 kW15.53 kW18.58 kW33.47 kW（b）火源距排烟口 3.5 m图 4无重点排烟时隧道顶棚纵向温度Fig.4Longitudinal temperature of tunnel roof without point smoke exhaust2.2.2排烟量对隧道顶棚温度分布的影响图 5 为 D 组油盘、火源距排烟口 2.5 m 工况下隧道顶棚温度随排烟量变化图。由图 5可知，火源功率和火源位置

24、相同时，增大排烟量会降低火源正上方隧道顶棚烟气温度；而远火源区烟气温度随着排烟量增大变化较小。故排烟量对近火源区烟气温度的影响高于远火源区的烟气温度。2.2.3火源位置对顶棚烟气温度分布的影响图 6展示了 C 组油盘、排烟量为 0.225 m3/s时隧道顶棚温度变化，排烟口位于沿隧道纵向位置 1.5 m 处。由图6 可以看到，不同火源与排烟口间距时，顶棚烟气温度沿隧道纵向分布规律一致；火源两侧的烟气温度以火源为中心呈对称分布，沿隧道两侧递减；隧道内顶棚烟气最大温度始终在火源正上方，且随着火源距排烟口越远，顶棚表 3各油盘尺寸的质量损失速率及对应的火源功率Table 3Mass loss rat

25、e and corresponding fire power of each oil pan size油盘尺寸/cmcmA：1010B：1515C：1520D：2020E：2025质量损失速率/g/s0.120.420.460.551.01火源功率/kW4.0213.9215.5318.5833.471069Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8烟气最高温度越高。火源离排烟口较近时，火源燃烧产生的热量能及时排出隧道，因此近排烟口的火源在顶棚聚集的烟气比远排烟口火源少，近排烟口火源的烟气最高温度较低。图 6显示排烟口下方烟气温度突然

26、降低，此时产生了“吸穿”现象，排烟口下方烟气层厚度为零，行车道的空气被直接排出而阻碍排烟。排烟口下方烟气温度随火源与排烟口距离增大而降低。“吸穿”发生时，烟气不能及时排出隧道、使排烟效率下降。导致这种现象的原因有排烟口速率过大、排烟口面积过大等。因此，为避免“吸穿”发生，A、B、C、D、E 五组油盘尺寸的火灾规模分别应在 00.045、0.0450.090、0.0450.090、0.090.135、0.1350.180 m3/s范围选取排烟量，实际工程中排烟量的选择可参考该范围，以防止发生“吸穿”。3隧道顶棚烟气温升分析3.1量纲分析隧道采用重点排烟时，影响隧道中心线上最大温升Tmax的因素有

27、：火源功率 Q、环境空气密度 0、重力加速度 g、环境温度 T0、空气定压比热容 cp、隧道高度 H1、排烟道高度 H2、火源与排烟口间距（即火源位置）l以及排烟量V，则可列关系式见式（2）。f(Tmax,H1,Q,0,T0,cp,g,H2,l,V)=0（2）式（2）的 10个量均可由质量 M、长度 L、时间 t、温度 T共 4 个 基 本 量 纲 表 示，得 到 式（2）对 应 的 量 纲 公 式，见式（3）。f(T,L,ML2t-2,ML-3,T,L2t-2T-1,Lt-2,L,L,L3t-1)=0（3）式中：L为长度的量纲；t为时间的量纲；M 为质量的量纲；T为温度的量纲。选取0、T0、

28、H、H2、g为基本物理量，根据 定理，可将式（3）转化为有关的因次方程，如式（4）所示。f(1,2,3,4,5)=0（4）式中：、为变量系数。通过计算求解得到以下 5个无量纲项。1=TmaxT02=Q0gH413=T0cpgH14=lH15=VgH51即有式（5）。f(TmaxT0,Q0gH41,T0cpgH1,lH1,VgH51)=0（5）因此有式（6）。TmaxT0=f(Q0gH41,T0cpgH1,lH1,VgH51)（6）式（6）可 以 转 化 为 式（7）。其 中，Q*=Q/(0T0cpg1/2H5/21)，l*=l/H1，V*=V/H51。TmaxT0=f(Q*,l*,V*)（7）

29、沿隧道纵向位置/m1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.56005004003002001000顶棚温度/无排烟排烟量 0.045 m3/s排烟量 0.090 m3/s排烟量 0.135 m3/s排烟量 0.180 m3/s排烟量 0.225 m3/s图 5D组油盘、火源距排烟口 2.5 m 时隧道顶棚纵向温度Fig.5Longitudinal temperature of the tunnel ceiling in Group D when the oil pan and fire source are 2.5 m away from the smoke vent沿隧道纵向位

30、置/m0 2 4 6 8 104003002001000顶棚温度/0.5 m1.5 m2.5 m3.5 m4.5 m图 6C组油盘、排烟量为 0.225 m3/s时隧道顶棚纵向温度Fig.6Longitudinal temperature of tunnel ceiling when the oil pan and smoke exhaust volume of group C is 0.225 m3/s 1=H1101T01H21g1Tmax =L1()ML-31T1L1()Lt-21Tmax2=H2102T02H22g2Q =L2()ML-32T2L2()Lt-22Q3=H3103T03H

31、23g3cp =L3()ML-33T3L3()Lt-23cp4=H4104T04H24g4l =L4()ML-34T4L4()Lt-24l5=H5105T05H25g5V =L5()ML-35T5L5()Lt-25V1070消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期式（7）表 明 重 点 排 烟 隧 道 内 无 量 纲 最 大 温 升Tmax/T0随无量纲火源功率 Q*、无量纲火源位置 l*及无量纲排烟量 V*三个参数变化，故只需要确定Tmax/T0与每一个参数之间的关系，便得出重点排烟隧道火灾时火源功率、排烟量、火源位置影响下隧道纵向中心线上烟气最大温升的无量纲计算公式。其中隧道

32、内顶棚下方烟气最高温度Tmax=Tmax+T0。3.2顶棚最大烟气温升隧道火灾时排烟量是排烟效率的重要影响因素，而且隧道内火源发生位置是随机的，故火源与排烟口间距对隧道内温升的影响与自然排烟、纵向通风隧道有所不同。由 3.1节分析可知，影响重点排烟隧道内最高温度的因素有火源功率、排烟量及火源位置，隧道纵向中心线无量纲最大温升参数公式见式（8）。T*max=TmaxT0=Tmax-T0T0（8）将试验测得的烟气温度无量纲化，分析顶棚下方烟气无量纲最大温升随无量纲火源功率的变化规律。以火源与排烟口间距 0.5、2.5、4.5 m为例，如图 7所示。由图 7可知，同一火源位置时无量纲最大温升随无量纲

33、火源功率的增大而增大。根据 3.1节的分析，对各火灾工况时的最高温度数据进行非线性函数拟合，拟合的非线性方程式，见式（9）。T*max=AQ*B（9）式中：A和 B是拟合曲线的系数。式（9）和图 7表明 A和 B与排烟量、火源位置有关。表 4列出了各工况下系数 A、B的拟合值，R是试验数据与拟合曲线之间的皮尔逊相关系数，其值越大说明拟合相关性越好。由表 4可知，系数 A、B 均为正，因此无量纲最大温升随无量纲火源功率的增大而增大；所有的 R 值均大于0.95，说明拟合曲线的相关性较好。图 8展示了 A、B 的拟合值与隧道无量纲排烟量的关系。而系数 A 的变化与隧道火灾时排烟量和火源与排烟口间距

34、即火源位置有关；B值在火源位置一定时随无量纲排烟量增加而增加，一定的排烟量、不同的火源与排烟口间距时 B值相对恒定。由图 8可以看出，系数 A 的变化与隧道排烟量和火源到排烟口位置有关，而系数 B 是仅与排烟量有关的一次函数。故系数 A、B可以表示为式（10）、式（11）。A=f(V*,l*)（10）B=f(V*)（11）因此，通过拟合图 8（b）中的数据点得到式（12）。B=0.554+0.597V*（12）由 3.2节分析可知，隧道顶棚下方最大温度与火源与排烟口距离有关。故考虑隧道排烟量不变时系数 A 与火源位置间的相关性并对数据点进行拟合。因 A 为无量纲，故可用式（13）表达 A与无量

35、纲火源位置的关系。A=al*b（13）幂指数 b 的参数值见图 9。不同排烟量下拟合出的 b值相差较小，故令 b 值取不同排烟量时的平均值 0.034。Q0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.123.02.52.01.51.00.5Tmax/T0排烟量 0.045 m3/s排烟量 0.090 m3/s排烟量 0.135 m3/s排烟量 0.180 m3/s排烟量 0.225 m3/s（a）0.5 mQ0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.123.02.52.01.51.00.5Tmax/T0排烟量 0.045 m3/s排烟量 0.090 m3

36、/s排烟量 0.135 m3/s排烟量 0.180 m3/s排烟量 0.225 m3/s（b）2.5 mQ0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.122.52.01.51.00.5Tmax/T0排烟量 0.045 m3/s排烟量 0.090 m3/s排烟量 0.135 m3/s排烟量 0.180 m3/s排烟量 0.225 m3/s（c）4.5 m图 7隧道顶板最大无量纲温升随火源功率变化Fig.7The maximum dimensionless temperature rise of tunnel roof varies with the power of fire

37、 source表 4系数 A、B拟合值Table 4Fitting values of coefficients A and B排烟量/m3/s0.5 m1.5 m2.5 m3.5 m4.5 mABRABRABRABRABR0.0459.1010.5890.9859.2860.5610.9519.4650.5460.9649.6520.5560.9619.8250.6510.9850.0909.3830.6320.9819.5220.5950.9529.7690.5880.9519.9270.5920.95810.0060.6870.9660.1359.6770.6560.9959.8820.

38、6350.97310.1130.6240.96310.2630.6090.95410.4650.7070.9690.1809.8130.6890.99210.0640.6710.99310.2970.6600.98310.5150.6490.97310.6320.7390.9550.2259.9380.7030.99710.2130.6940.99610.4090.7000.98910.6090.6790.98510.7830.7390.9851071Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8V0.05 0.10 0.15 0.20

39、0.2511.010.510.09.59.0A0.5 m1.5 m2.5 m3.5 m4.5 m（a）无量纲排烟量与 A拟合值的关系V0.05 0.10 0.15 0.20 0.251.51.00.50.0B0.5 m1.5 m2.5 m3.5 m4.5 m拟合曲线y0.554+0.597x（b）无量纲排烟量与 B拟合值的关系图 8无量纲排烟量变化与 A、B拟合值的关系Fig.8Relation between the change of dimensionless smoke emission and the fitting values of A and B结合式（9）、式（13）可以得出

40、式（14）。Al*-0.034=f(V*)（14）对比图 10 与图 8（b）可知，通过无量纲排烟量修正后系数 A的规律更清晰。图 10的拟合曲线如式（15）所示。Al*-0.034=10.82V*0.061（15）从而得到式（16）。A=10.82l*0.034V*0.061（16）经计算得出式（16）的值，与表 4中 A 值通过拟合得到的相关系数为 0.960，拟合相关性较好。将式（12）、式（16）代入式（9），整合后得出式（17）。T*max=10.82l*0.034V*0.061Q*()0.554+0.597V*（17）式（17）表明无量纲最大温升与无量纲火源位置的0.034次幂成正

41、比，且随火源功率的增加而增大。为验证提出的无量纲最大温升公式的正确性，利用式（17）对无量纲最大温升进行计算，并与缩尺寸试验测量值进行比较，比较结果如图 11所示。从图 11 可以看出，数据点分散在等效线附近；且式（17）计算值与试验测量值基本一致，拟合曲线得出的相关系数 R2均在 0.95 以上，故采用式（17）预测重点排烟隧道火灾时的隧道顶棚最大温升效果较好。4结 论（1）通过分析火羽流发展过程，将油盘燃烧过程分为4 个阶段。不同油盘面积在稳定燃烧阶段的火羽流形式不同，火焰撞击顶棚的范围随油盘面积增大而扩大。火源功率随油盘面积的增大而增大，排烟量和火源位置对火源功率影响较小。（2）重点排烟

42、隧道火灾时顶棚烟气最高温度在火源的正上方，排烟量变化不影响隧道纵向中心线上最高温度的位置；顶棚烟气最高温度随火源功率和火源与排烟口间距的增大而升高，随排烟量的增大而减小，但当排烟量过大时会产生“吸穿”而减弱排烟效果。（3）提出了预测重点排烟隧道火灾时顶棚下方最大温升的数学模型，验证该模型的计算值与试验值，其吻合程度较好。该模型表明无量纲最大温升与无量纲火源位置的 0.034次幂成正比，且随火源功率的增加而增大。l0 1 2 3 4 5 6 7 811.010.510.09.59.0A拟合方程：yaxb排烟量 0.045 m3/s排烟量 0.090 m3/s排烟量 0.135 m3/s排烟量 0

43、.180 m3/s排烟量 0.225 m3/sb50.036 3b40.037 0b30.034 6b20.030 5b10.033 9图 9不同排烟量下 A值与 l*的变化关系Fig.9Relationship between A value and l*under different smoke dischargeV0.05 0.10 0.15 0.20 0.2510.009.759.509.259.008.75Al-0.0340.5 m1.5 m2.5 m3.5 m4.5 m拟合曲线图 10无量纲排烟量与修正后的 A值间的关系曲线Fig.10Relationship curve betw

44、een dimensionless smoke discharge and modified A value10.82l0.034V0.061Q（0.554+0.597V）0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 3.03.02.52.01.51.00.50.0Tmax0.5 m拟合曲线1.5 m拟合曲线2.5 m拟合曲线3.5 m拟合曲线4.5 m拟合曲线yx等效线0.5 m1.5 m2.5 m3.5 m4.5 m图 11试验测量值与模型计算值对比图Fig.11Comparison between experimental measured values and model calc

45、ulated values1072消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期参考文献：1 梅凤珠.集中排烟模式下隧道火灾烟气层卷吸行为与特征参数演化研究D.合肥:合肥工业大学,2018.2 JI J,LI K Y,WEI Z,et al.Experimental investigation on influence of smoke venting velocity and vent height on mechanical smoke exhaust efficiencyJ.Journal of Hazardous Materials,2010,177(1 3):209-215.

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