基于双火源相互作用下狭长隧道火灾燃烧行为的机理与验证研究

Double-source burning behavior can easily occur in tunnel fires, which tends to cause heavy casualties and economic losses. Therefore, relevant research is of urgent need to be carried out. Since the competing interaction of air entrainment restriction and radiation heat feedback enhancement plays a significant role on the burning behavior of double-source fires, the analytical method and theory model for single fire cannot be directly adopted any more. In this project, the key technology research will be carried out around three overall objectives, including the fire interaction mechanisms, mathematic evolution model and numerical simulations. Firstly, through small-scale experiment simulation, the influence rules of different fire parameters (fuel type, fire size and fire spacing) on the burning behavior of double-source fires are studied, and then the change laws of fire characteristic parameters can be systematically researched. On this basis, the interaction mechanisms of double-source fires in the open space can be introduced into the research of tunnel fires. Through theoretical analysis, the interaction mechanisms of double-source tunnel fires can be revealed, and the mathematical model of its burning behavior can be put forward. Finally, the validation research can be carried out by the multi-scale numerical simulation. In conclusion, the theoretical basis and experimental data provided from this project can be used in the scientific research and accident prevention of real multi-source tunnel fires.

隧道火灾中易出现双火源燃烧现象，往往造成重大人员伤亡和经济损失，因而有必要对其燃烧行为进行研究。双火源燃烧过程中，火源之间空气卷吸受限效应与辐射热反馈增强效应相互竞争,共同影响其燃烧行为，对单一火源燃烧的科学认识(机理、规律和模型)无法直接推演到双火源燃烧现象。本项目围绕火源间相互作用机理、数学演化模型和数值模拟预测的总体目标开展关键技术的研究。首先通过小尺度实验模拟，分析不同火源特征参数（燃料类型、几何尺寸和火源间距）等对双火源燃烧现象的影响规律，系统研究双火源火灾特征参数的变化规律；在此基础上，将开放空间火源阵列中火源之间相互作用机理引入到隧道火灾研究中，通过理论分析揭示隧道火灾双火源之间相互作用机理，提出隧道火灾双火源燃烧现象的数学模型；最后通过多尺度的CFD数值模拟开展验证研究。通过对双火源作用下狭长隧道火灾燃烧现象的研究，本项目将为预防多火源火灾事故提供理论依据和实验数据支撑。

相较于单火源燃烧，由于火源之间的相互作用，双火源燃烧现象有着很大的区别。围绕隧道双火源燃烧现象，本项目取得的研究进展如下：.1）在火灾燃烧的初期发展阶段，火源间距对火源燃烧的质量损失速率影响不大。随着火源尺寸的增大，质量损失速率基本呈现增大的趋势。在充分发展阶段，火源尺寸较大时（边长≥11cm），火源间距对质量损失速率影响较大，随着间距增大，质量损失速率整体呈现减小的趋势；小范围内有波动。火源尺寸较小时（边长＜11cm），火源间距对质量损失速率影响较小。.2）远火源区纵向顶棚温度和竖向温度衰减规律分别符合指数衰减分布和半高斯分布。双火源火灾燃烧的最高温度始终超过同尺寸单火源火灾的最高温度；此外，双火源火灾的最高温度随着火源间距增大总体呈现下降趋势，但是在小范围内有短暂升高。.3）初步研究了双火源相互作用机理：随着间距的增加，质量损失速率在一定范围内迅速增加，而不是单调变化。这是因为火源间距较小时，双火源间空气卷吸受到限制，使得火焰发生融合并撞击顶棚，此时顶棚温度较高。火源间距稍微增大，火焰高度降低，从而降低了隧道顶棚对于火源的辐射热反馈，导致燃料表面蒸发速度减慢。随着火源间距增大，质量损失速率的变化幅度却相当大。这是因为间距的进一步扩大，双火源间空气充足，与蒸发的燃料混合并发生进一步燃烧，隧道内温度急剧上升，从而增强了辐射热反馈，使得燃料蒸发速度加快，质量损失速率上升。火源间距进一步增大，质量损失速率整体上呈现出缓慢下降的趋势，火源间的相互作用不断减弱，直至呈各自独立燃烧状态。.4）建立了隧道火灾烟气运动的尺度模型，发现需要满足的尺度准则根据重要度排序依次为（从强到弱）：火灾热释放速率、纵向通风、壁面阻力/对流热损失、辐射热损失（烟气温度高则重要性变强）、传导热损失、湍流。.5）利用FDS数值模拟技术开展了三种尺度的数值模拟，并与实验结果对比分析，实验证实了尺度模型的正确性。