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

Cette étude étudie expérimentalement la distribution de la température de la fumée dans des tunnels de montagne à ventilation longitudinale avec des puits verticaux à ouverture latérale sous différentes tailles de feu et conditions de ventilation, développant finalement des corrélations empiriques pour prédire les températures maximales d'excès et longitudinales afin d'améliorer la conception des systèmes de sécurité incendie.

Auteurs originaux : Zhisheng Li, Fengliang Wu

Publié 2026-09-08

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Zhisheng Li, Fengliang Wu

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Lorsqu'un incendie se déclare au plus profond d'un tunnel de montagne, le plus grand danger ne provient souvent pas des flammes elles-mêmes, mais de la fumée épaisse et surchauffée qui les suit. Cette fumée monte, frappe le plafond et se propage rapidement sur toute la longueur du tunnel, transformant un incident gérable en un piège mortel pour quiconque tente de s'échapper ou pour les équipes de secours tentant d'entrer. Pour maintenir la sécurité de ces tunnels, les ingénieurs s'appuient sur des systèmes de ventilation qui injectent de l'air frais d'un côté et extraient la fumée de l'autre. Cependant, de nombreux tunnels de montagne modernes sont trop longs pour être ventilés par de simples ventilateurs aux extrémités. Au lieu de cela, ils sont dotés de hauts puits verticaux qui montent jusqu'à la surface, reliés au tunnel principal par un conduit horizontal. Ces puits agissent comme de gigantesques cheminées, utilisant la montée naturelle de l'air chaud pour aider à extraire la fumée. Mais lorsqu'un incendie se déclare à proximité d'un tel puits, l'interaction entre la fumée aspirée dans le puits et l'air poussé le long du tunnel crée un flux complexe et imprévisible. Comprendre exactement la température que la fumée atteint dans ces conditions spécifiques est crucial, car la température détermine la rapidité avec laquelle les détecteurs déclencheront les alarmes et le temps pendant lequel la structure pourra résister à la chaleur avant de céder.

Des chercheurs de diverses universités chinoises ont entrepris de cartographier ce comportement caché en construisant un modèle précis, à l'échelle un dixième, d'un tunnel de montagne équipé d'un puits vertical. Dans leur laboratoire, ils ont construit un tunnel de 16,5 mètres de long et ont installé un puits vertical s'élevant à 4,2 mètres, relié par un conduit latéral. Ils ont placé une source de feu en amont de cette connexion, puis ont allumé du diesel dans des plateaux carrés de tailles variables pour simuler différentes intensités d'incendie. Pour imiter les conditions réelles, ils ont utilisé de puissants ventilateurs pour créer un flux d'air constant se déplaçant à travers le tunnel, tout en utilisant simultanément un système mécanique pour aspirer l'air dans le puits vertical à différentes vitesses. Ils ont placé des dizaines de minuscules capteurs de température juste sous le plafond du tunnel pour enregistrer précisément comment la chaleur se déplaçait et changeait à mesure qu'ils ajustaient la vitesse des ventilateurs et la taille du feu.

Les expériences ont révélé un schéma clair dans la manière dont la fumée se comporte lorsque ces deux forces de ventilation travaillent ensemble. Lorsque les ventilateurs mécaniques aspirant la fumée vers le haut du puits étaient activés, la température de la fumée directement sous le plafond chutait. Cet effet de refroidissement s'est produit rapidement au début à mesure que la vitesse du ventilateur augmentait, mais le taux de refroidissement a ensuite ralenti, suggérant qu'il existe une limite à la capacité de la ventilation à refroidir davantage la fumée. La taille du feu jouait également un rôle majeur, mais seulement dans des zones spécifiques. Près du feu lui-même, un incendie plus important provoquait un pic de température spectaculaire. Cependant, à mesure que la fumée s'éloignait des flammes, la différence de température entre un petit feu et un grand feu devenait beaucoup moins perceptible. Cela se produit parce que la forte flottabilité de la fumée chaude est la plus intense juste au-dessus du feu, mais à mesure que la fumée voyage dans le tunnel, elle se mélange à l'air plus frais et perd cette énergie thermique intense.

Les chercheurs ont découvert que la vitesse de l'air circulant le long du tunnel était le facteur le plus dominant pour contrôler la température de la fumée. Lorsque l'air circulait lentement, la fumée avait tendance à stagner et à rester chaude. À mesure que la vitesse de l'air augmentait, la fumée était évacuée plus efficacement et la température chutait de manière significative. Cependant, si l'air circulait trop vite, la fumée pouvait être poussée au-delà du puits d'extraction, échappant ainsi au contrôle du système de ventilation et se propageant plus loin dans le tunnel. Cette découverte met en évidence un équilibre délicat : le système de ventilation doit être assez puissant pour évacuer la fumée, mais pas trop fort pour ne pas souffler la fumée au-delà du point de sortie.

Pour rendre ces résultats utiles à la sécurité réelle, l'équipe a développé une nouvelle méthode pour prédire la température maximale qu'un incendie pourrait atteindre dans ce type spécifique de tunnel. Ils ont combiné les données de leurs expériences avec les principes physiques du mouvement de la chaleur et de l'air pour créer une formule qui tient compte de la taille du feu, de la vitesse de l'air circulant le long du tunnel et de la vitesse de l'air aspiré dans le puits. Cette formule permet aux ingénieurs d'estimer le point le plus chaud qu'un incendie pourrait atteindre sans avoir besoin de construire un nouveau modèle pour chaque conception de tunnel. Les résultats suggèrent que, pour les tunnels dotés de ces puits verticaux, l'emplacement des détecteurs d'incendie et la conception du système de ventilation doivent être soigneusement ajustés en fonction des vitesses spécifiques des ventilateurs et de la taille potentielle d'un incendie. En comprenant exactement comment la chaleur décroît à mesure qu'elle s'éloigne du feu, les systèmes de sécurité peuvent être conçnés pour avertir les personnes plus tôt et maintenir les voies d'évacuation exemptes de chaleur mortelle.

Résumé technique : Caractéristiques de la température de la fumée dans les tunnels de montagne à ventilation longitudinale dotés de puits verticaux à ouverture latérale

Énoncé du problème
Les tunnels de montagne nécessitent fréquemment des puits verticaux reliés par des conduits d'extraction de fumée latéraux pour faciliter la ventilation et l'évacuation d'urgence. En cas d'incendie, l'interaction entre la ventilation longitudinale et l'extraction mécanique de la fumée par ces ouvertures latérales crée des comportures de migration de la fumée complexes qui diffèrent considérablement des systèmes d'extraction ponctuels horizonts standards ou des systèmes purement longitudinaux. Bien que des recherches approfondies existent sur la distribution de la température de la fumée dans les tunnels à ventilation longitudinale, il existe une lacune notable dans la compréhension des caractéristiques thermiques spécifiques et des mécanismes de décroissance de la température dans les tunnels de montagne dotés de puits verticaux à ouverture latérale, en particulier lorsque la source de l'incendie est située en amont du conduit d'extraction. Cette complexité pose des défis pour la conception efficace des systèmes de contrôle de la fumée et le placement des systèmes de détection d'incendie et d'alerte précoce.

Méthodologie
L'étude a employé une approche expérimentale sur modèle réduit à l'échelle 1/10 basée sur les règles de similitude de Froude pour étudier les profils de température de la fumée. Le dispositif expérimental consistait en un tunnel de 16,5 m de long avec un puits vertical (4,2 m de haut) relié par un canal d'extraction de fumée latéral de 2 m.

Conditions expérimentales : Un total de 54 expériences de combustion ont été menées en utilisant des feux de nappe de diesel avec trois tailles de sources différentes (longueurs de côté de 0,15 m, 0,20 m et 0,23 m), correspondant à des taux de libération de chaleur (RLC) à pleine échelle allant de 2,29 MW à 9,89 MW.
Variables : L'étude a fait varier trois paramètres clés :
1. Taille de la source de feu : Trois dimensions de nappe distinctes.
2. Vitesse d'extraction mécanique de la fumée ( $V_s$ ) : Trois niveaux (2,03, 2,79 et 3,53 m/s à l'échelle du modèle ; 6,42–11,17 m/s à pleine échelle).
3. Vitesse de ventilation longitudinale ( $V_l$ ) : Sept niveaux allant de 0,18 m/s à 1,23 m/s (échelle du modèle).
Instrumentation : Les données de température ont été collectées à l'aide de 71 thermocouples de type K positionnés à 0,1 m sous le plafond du tunnel, avec des densités d'espacement variables près de l'intersection du puits et plus en aval. Les vitesses de l'air ont été mesurées à l'aide d'anémomètres à fil chaud.

Résultats clés

Distribution longitudinale de la température :
- À mesure que la vitesse de la ventilation mécanique augmente, la température de la fumée sous le plafond présente une baisse initiale rapide suivie d'une diminution plus graduelle.
- À des vitesses longitudinales plus faibles, les conditions de ventilation sont le facteur dominant influençant le développement de la fumée. À des vitesses longitudinales plus élevées, les propriétés de la source de combustible deviennent le facteur dominant, et le gradient de température diminue considérablement.
- L'écart de température causé par les variations de taille de la source de feu est substantiel près de la source de l'incendie mais devient négligeable dans le champ lointain, indiquant que les effets de flottabilité s'affaiblissent avec la distance.
- La distribution de température longitudinale adimensionnelle est minimamente affectée par l'ampleur de la source de feu, suggérant que le comportement de décroissance de la fumée par reflux est indépendant de la taille du feu dans ce contexte.
Coefficient de décroissance de la température :
- Le coefficient de décroissance longitudinale de la température de la fumée ( $k$ ) a été trouvé en diminution à mesure que la vitesse longitudinale augmente.
- Une relation linéaire a été établie entre le coefficient de décroissance et un nombre de Froude modifié ( $Fr'$ ), qui prend en compte les effets combinés de l'extraction mécanique et de la ventilation longitudinale : $k = 0,394 Fr' + 0,08$ .
Température excessive maximale :
- La température excessive maximale sous le plafond augmente rapidement avec la taille de la source de feu.
- Une corrélation empirique globale a été développée pour prédire la température excessive maximale. La température excessive maximale adimensionnelle ( $\Delta T_{max}/T_{\infty}$ ) est corrélée au taux de libération de chaleur adimensionnel ( $Q^*$ ) et au nombre de Froude modifié ( $Fr'$ ) selon la relation : $\frac{\Delta T_{max}}{T_{\infty}} = a(Q^*)^{2/3} + b(Fr')^{-1/3} + c$ .
- Les coefficients ajustés pour ce modèle ont été déterminés comme étant $a = -2,34$ , $b = 0,53$ et $c = 1,37$ .

Signification et revendications
Les auteurs affirment que cette recherche fournit des informations critiques sur le comportement thermique de la fumée dans les tunnels de montagne avec des puits verticaux à ouverture latérale, un scénario précédemment sous-étudié. Les principales contributions incluent :

Corrélations empiriques : Le développement de corrélations spécifiques pour prédire à la fois la température excessive maximale et la décroissance de la température longitudinale sous l'influence combinée de l'extraction concentrée latérale de la fumée et de la ventilation longitudinale.
Orientation de la conception : Les résultats offrent des données précieuses pour optimiser l'arrangement des détecteurs d'incendie et des systèmes d'alerte précoce dans des configurations de tunnels de montagne similaires.
Clarification des mécanismes : L'étude clarifie la transition des facteurs dominants (de la ventilation vers les propriétés du combustible) à mesure que les vitesses de vent longitudinal augmentent et quantifie l'impact de l'« effet cheminée » inhérent aux puits verticaux hauts sur le contrôle de la fumée.

L'article conclut que la compréhension de ces caractéristiques de température spécifiques est essentielle pour améliorer les stratégies de gestion de la fumée et assurer la sécurité des évacuations d'urgence et des opérations de sauvetage incendie dans les environnements de tunnels de montagne complexes.

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