Smoke Temperature Characteristics in Longitudinally ventilated mountain Tunnels featuring on Lateral-opening Vertical Shaft
本研究通过实验研究了在不同火灾规模和通风条件下，具有侧向开口竖井的纵向通风山体隧道内的烟气温度分布，并最终开发了用于预测最大过剩温度和纵向温度的经验相关式，以改进火灾安全系统的设计。
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当深山隧道内发生火灾时，最大的危险往往并非来自火焰本身，而是紧随其后的浓厚、高温烟雾。这些烟雾上升并撞击天花板，沿着隧道的长度迅速扩散，使原本可控的事故变成逃生者或救援队进入时的致命陷阱。为了保证这些隧道的安全，工程师依靠通风系统，从一端注入新鲜空气，并从另一端将烟雾排出。然而，许多现代山岳隧道过长，无法仅靠两端的简单风扇进行通风。相反，它们建有直通地表的垂直高耸竖井，并通过水平管道与主隧道相连。这些竖井就像巨大的烟囱一样，利用热空气自然上升的原理来帮助抽走烟雾。但是，当火灾发生在靠近此类竖井的位置时，被吸入竖井的烟雾与沿隧道推进的气流之间的相互作用，会产生一种复杂且难以预测的流动。准确了解在这种特定条件下烟雾的热度至关重要，因为温度决定了探测器触发警报的速度，以及结构在失效前能承受热量的时长。
来自中国大学的研究人员通过建造一个配备垂直竖井的十分之一比例缩小的山岳隧道精确模型，着手绘制这种隐藏的行为图谱。在实验室中，他们建造了一个长16.5米的隧道，并安装了一个高4.2米的垂直竖井，两者通过侧向管道连接。他们在连接处上游放置了一个火源，然后点燃不同尺寸方形托盘中的柴油，以模拟不同的火灾强度。为了模拟真实世界的情况，他们使用强力风扇在隧道内制造稳定的气流，同时使用机械系统以不同的速度将空气从垂直竖井中抽出。他们在隧道天花板下方紧贴处布置了数十个微型温度传感器，以记录随着他们调整风扇速度和火灾规模时，热量是如何移动和变化的。
实验揭示了当这两种通风力量共同作用时，烟雾行为表现出的清晰规律。当开启向竖井抽取烟雾的机械风扇时，天花板正下方的烟雾温度会下降。这种冷却效应在风扇转速增加初期非常迅速，但随后冷却速率会放缓，这表明增加通风量对冷却烟雾的效果存在极限。火灾的大小也起到了重要作用，但仅限于特定区域。在火源附近，较大的火灾会导致温度剧烈飙升。然而，随着烟雾远离火焰，大火灾与小火灾之间的温差变得不再那么显著。这是因为热烟雾强大的浮力在火源正上方最强，但当烟雾沿隧道移动时，它会与较冷的空气混合并失去那股剧烈的热能。
研究人员发现，沿隧道移动的空气速度是控制烟雾温度的最主要因素。当空气移动缓慢时，烟雾倾向于滞留并保持高温。随着空气速度增加，烟雾被更有效地推开，温度显著下降。然而，如果空气移动过快，烟雾可能会被直接吹过排烟竖井，从而脱离通风系统的控制并向隧道更深处蔓延。这一发现强调了一种微妙的平衡：通风系统必须足够强大以清除烟雾，但又不能强到将烟雾吹过出口点。
为了使这些发现能够应用于现实世界的安全保障，团队开发了一种预测此类类型隧道中火灾可能达到的最高温度的新方法。他们将实验数据与热量和空气运动的物理原理相结合，创建了一个公式，该公式综合考虑了火灾规模、沿隧道移动的空气速度以及从竖井抽出的空气速度。这个公式使工程师无需为每种隧道设计都建造新模型，即可估算出火灾可能达到的最高温度。结果表明，对于拥有此类垂直竖井的隧道，火灾探测器的布置和通风系统的设计必须根据风扇的具体速度和潜在火灾的预期规模进行仔细调校。通过准确理解热量如何随距离增加而衰减，安全系统可以被设计得更早发出预警，并保持逃生路线免受致命热量的威胁。
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