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Smoke Temperature Characteristics in Longitudinally ventilated mountain Tunnels featuring on Lateral-opening Vertical Shaft

Este estudio investiga experimentalmente la distribución de la temperatura del humo en túneles de montaña con ventilación longitudinal y pozos verticales de apertura lateral bajo diversos tamaños de incendio y condiciones de ventilación, desarrollando finalmente correlaciones empíricas para predecir las temperaturas máximas de exceso y longitudinales para mejorar el diseño de los sistemas de seguridad contra incendios.

Autores originales: Zhisheng Li, Fengliang Wu

Publicado 2026-09-08

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CC BY 4.0

Autores originales: Zhisheng Li, Fengliang Wu

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Cuando se desata un incendio en las profundidades de un túnel de montaña, el mayor peligro a menudo no proviene de las llamas en sí, sino del espeso humo sobrecalentado que las sigue. Este humo asciende, golpea el techo y se propaga rápidamente a lo largo de la longitud del túnel, convirtiendo un incidente manejable en una trampa mortal para cualquiera que intente escapar o para los equipos de rescate que intentan entrar. Para mantener estos túneles seguros, los ingenieros confían en sistemas de ventilación que inyectan aire fresco por un extremo y extraen el humo por el otro. Sin embargo, muchos túneles de montaña modernos son demasiado largos para ser ventilados mediante simples ventiladores en los extremos. En su lugar, están construidos con altos pozos verticales que llegan hasta la superficie, conectados al túnel principal mediante un conducto horizontal. Estos pozos actúan como gigantescas chimeneas, utilizando el ascenso natural del aire caliente para ayudar a extraer el humo. Pero cuando un incendio comienza cerca de uno de estos pozos, la interacción entre el humo que es succionado hacia arriba por el pozo y el aire que es empujado a lo largo del túnel crea un flujo complejo e impredecible. Comprender exactamente qué tan caliente se vuelve el humo en estas condiciones específicas es crítico, porque la temperatura determina qué tan rápido se activarán los detectores de alarmas y cuánto tiempo podrá resistir la estructura el calor antes de fallar.

Investigadores de universidades de China se propusieron mapear este comportamiento oculto construyendo un modelo preciso a escala de un décimo de un túnel de montaña equipado con un pozo vertical. En su laboratorio, construyeron un túnel de 16.5 metros de largo e instalaron un pozo vertical que ascendía 4.2 metros, conectado por un conducto lateral. Colocaron una fuente de fuego aguas arriba de esta conexión y luego encendieron combustible diésel en bandejas cuadradas de diversos tamaños para simular diferentes intensidades de fuego. Para imitar las condiciones del mundo real, utilizaron potentes ventiladores para crear una corriente constante de aire moviéndose a través del túulo, mientras utilizaban simultáneamente un sistema mecánico para extraer aire hacia arriba por el pozo vertical a diferentes velocidades. Colocaron docenas de diminutos sensores de temperatura justo debajo del techo del túnel para registrar exactamente cómo se movía y cambiaba el calor a medida que ajustaban la velocidad de los ventiladores y el tamaño del fuego.

Los experimentos revelaron un patrón claro en cómo se comporta el humo cuando estas dos fuerzas de ventilación trabajan juntas. Cuando los ventiladores mecánicos que succionaban el humo hacia arriba por el pozo estaban encendidos, la temperatura del humo directamente bajo el techo descendía. Este efecto de enfriamiento ocurrió rápidamente al principio conforme aumentaba la velocidad del ventilador, pero luego la tasa de enfriamiento se ralentizó, lo que sugiere que existe un límite para qué tanto puede enfriar el humo una ventilación más rápida. El tamaño del fuego también jugó un papel importante, pero solo en áreas específicas. Cerca del fuego mismo, un fuego más grande causaba un pico dramático de temperatura. Sin embargo, a medida que el humo viajaba más lejos de las llamas, la diferencia de temperatura entre un fuego pequeño y uno grande se volvía mucho menos perceptible. Esto sucede porque la potente flotabilidad del humo caliente es más fuerte justo encima del fuego, pero a medida que el humo viaja por el túnel, se mezcla con el aire más frío y pierde esa intensa energía térmica.

Los investigadores descubrieron que la velocidad del aire que se mueve a lo largo del túnel era el factor más dominante en el control de la temperatura del humo. Cuando el aire se movía lentamente, el humo tendía a permanecer estancado y mantenerse caliente. A medida que la velocidad del aire aumentaba, el humo era desplazado más eficazmente y la temperatura descendía significamente. Sin embargo, si el aire se movía demasiado rápido, el humo podía ser empujado más allá del pozo de extracción, escapando del control del sistema de ventilación y propagándose más lejos por el túnel. Este hallazgo resalta un equilibrio delicado: el sistema de ventilación debe ser lo suficientemente fuerte como para despejar el humo, pero no tanto como para que sople el humo más allá del punto de salida.

Para que estos hallazgos sean útiles para la seguridad en el mundo real, el equipo desarrolló una nueva forma de predecir la temperatura máxima que un fuego podría alcanzar en este tipo específico de túnel. Combinaron los datos de sus experimentos con los principios físicos de cómo se mueven el calor y el aire para crear una fórmula que tiene en cuenta el tamaño del fuego, la velocidad del aire que se mueve a lo largo del túnel y la velocidad del aire que es succionado hacia arriba por el pozo. Esta fórmula permite a los ingenieros estimar el punto más caliente que un fuego podría alcanzar sin necesidad de construir un nuevo modelo para cada diseño de túnel. Los resultados sugieren que, para túneles con estos pozos verticales, la ubicación de los detectores de fuego y el diseño del sistema de ventilación deben ajustarse cuidadosamente a las velocidades específicas de los ventiladores y al tamaño esperado de un posible incendio. Al comprender exactamente cómo decae el calor a medida que se aleja del fuego, los sistemas de seguridad pueden diseñarse para advertir a las personas más temprano y mantener las rutas de escape libres de un calor letal.

Resumen Técnico: Características de la Temperatura del Humo en Túneles de Montaña con Ventilación Longitudinal y Pozos Verticales de Apertura Lateral

Planteamiento del Problema
Los túneles de montaña requieren frecuentemente pozos verticales conectados mediante conductos laterales de extracción de humo para facilitar la ventilación y la evacuación de emergencia. En caso de incendio, la interacción entre la ventilación longitudinal y la extracción mecánica de humo a través de estas aperturas laterales crea comportos de migración de humo complejos que difieren significativamente de los sistemas de extracción puntual horizontales estándar o de los sistemas puramente longitudinales. Si bien existe una investigación extensa sobre la distribución de la temperatura del humo en túneles con ventilación longitudinal, existe una notable brecha en la comprensión de las características térmicas específicas y los mecanismos de decaimiento de la temperatura en túneles de montaña que cuentan con pozos verticales de apertura lateral, particularmente cuando la fuente de fuego se localiza aguas arriba del conducto de extracción. Esta complejidad plantea desafíos para el diseño efectivo de los sistemas de control de humo y la ubicación de los sistemas de detección de incendios y alerta temprana.

Metodología
El estudio empleó un enfoque experimental de modelo reducido a escala 1/10 basado en reglas de similitud de Froude para investigar los perfiles de temperatura del humo. La configuración experimental consistió en un túnel de 16.5 m de largo con un pozo vertical (4.2 m de altura) conectado mediante un canal lateral de extracción de humo de 2 m.

Condiciones Experimentales: Se realizaron un total de 54 experimentos de combustión utilizando fuegos de piscina de diésel con tres tamaños de fuente diferentes (longitudes de lado de 0.15 m, 0.20 m y 0.23 m), que corresponden a tasas de liberación de calor (HRR) a escala real que oscilan entre 2.29 MW y 9.89 MW.
Variables: El estudio varió tres parámetros clave:
1. Tamaño de la Fuente de Fuego: Tres dimensiones de piscina distintas.
2. Velocidad de Extracción Mecánica de Humo ( $V_s$ ): Tres niveles (2.03, 2.79 y 3.53 m/s en la escala del modelo; 6.42–11.17 m/s a escala real).
3. Velocidad de Ventilación Longitudinal ( $V_l$ ): Siete niveles que van desde 0.18 m/s hasta 1.23 m/s (escala del modelo).
Instrumentación: Los datos de temperatura se recolectaron utilizando 71 termopares tipo K posicionados 0.1 m por debajo del techo del túnel, con densidades de espaciamiento variables cerca de la intersección del pozo y más abajo en el flujo. Las velocidades del aire se midieron mediante anemómetros de hilo caliente.

Resultos Clave

Distribución Longitudinal de la Temperatura:
- A medida que aumenta la velocidad de la ventilación mecánica, la temperatura del humo bajo el techo exhibe un descenso inicial rápido seguido de una disminución más gradual.
- Con velocidades longitudinales bajas, las condiciones de ventilación son el factor dominante que influye en el desarrollo del humo. Con velocidades longitudinales altas, las propiedades de la fuente de combustible se convierten en el factor dominante, y el gradiente de temperatura se reduce significertivamente.
- La desviación de temperatura causada por las variaciones en el tamaño de la fuente de fuego es sustancial cerca de la fuente de fuego, pero se vuelve insignificante en el campo lejano, lo que indica que los efectos de flotabilidad se debilitan con la distancia.
- La distribución de temperatura longitudinal adimensional se ve mínimamente afectada por la magnitud de la fuente de fuego, lo que sugiere que el comportamiento de decaimiento del humo por flujo inverso es independiente del tamaño del fuego en este contexto.
Coeficiente de Decaimiento de la Temperatura:
- Se encontró que el coeficiente de decaimiento de la temperatura del humo longitudinal ( $k$ ) disminuye a medida que aumenta la velocidad longitudinal.
- Se estableció una relación lineal entre el coeficiente de decaimiento y un número de Froude modificado ( $Fr'$ ), que contabiliza los efectos combinados de la extracción mecánica y la ventilación longitudinal: $k = 0.394 Fr' + 0.08$ .
Temperatura Excedente Máxima:
- La temperatura excedente máxima bajo el techo aumenta rápidamente con el tamaño de la fuente de fuego.
- Se desarrolló una correlación empírica global para predecir la temperatura excedente máxima. La temperatura excedente máxima adimensional ( $\Delta T_{max}/T_{\infty}$ ) se correlaciona con la tasa de liberación de calor adimensional ( $Q^*$ ) y el número de Froude modificado ( $Fr'$ ) de acuerdo con la relación: $\frac{\Delta T_{max}}{T_{\infty}} = a(Q^*)^{2/3} + b(Fr')^{-1/3} + c$ .
- Los coeficientes ajustados para este modelo se determinaron como $a = -2.34$ , $b = 0.53$ y $c = 1.37$ .

Significancia y Reivindicaciones
Los autores sostienen que esta investigación proporciona información crítica sobre el comportamiento térmico del humo en túneles de montaña con pozos verticales de apertura lateral, un escenario previamente poco investigado. Las contribuciones principales incluyen:

Correlaciones Empíricas: El desarrollo de correlaciones específicas para predecir tanto la temperatura excedente máxima como el decaimiento de la temperatura longitudinal bajo la influencia combinada de la extracción de humo concentrada lateral y la ventilación longitudinal.
Guía de Diseño: Los resultados ofrecen datos valiosos para optimizar la disposición de los detectores de incendio y los sistemas de alerta temprana en configuraciones de túneles de montaña similares.
Clarificación de Mecanismos: El estudio clarifica la transición en los factores dominantes (de ventilación a propiedades del combustible) a medida que aumentan las velocidades del viento longitudinal y cuantifica el impacto del "efecto chimenea" inherente a los altos pozos verticales en el control de humo.

El artículo concluye que comprender estas características de temperatura específicas es esencial para mejorar las estrategias de gestión de humo y garantizar la seguridad de las operaciones de evacuación y rescate de incendios en entornos de túneles de montaña complejos.

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