狭长通道火灾烟气传输研究综述

潘晨++茅晨昊++尹波

摘 要：通常在时间或空间上失控燃烧而导致的灾难称为火灾。狭长通道通常是人们走路的主要渠道，而且是人员疏散时的必经之路。因此，当狭长通道发生火灾事故时，会造成严重的人身伤亡和财产损失。文章介绍了当前狭长通道火灾的研究现状，对火灾特性和烟气传输进行了系统分析。

关键词：狭长通道；火灾特性；研究现状；烟气传输

中图分类号：TU998.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）29-0167-02

引言

狭长通道是指其纵向长度远大于截面的长和宽的一类长通道。这类狭长通道在实际建设工程中大量存在，例如大型建筑的房间走廊、公路或者铁路隧道、矿山井巷、城市地下轨道交通等[1]。随着城市化的建设发展，狭长通道也越来越多，所面临的挑战也接踵而来。

近年来狭长通道火灾事故也时有发生，例如2017年5月28日山西天河山隧道发生汽车火灾事故，大火连续燃烧70多个小时，致使40人不幸遇难，12人受伤，42辆车被烧毁，直接经济损失高达8197万元；2016年2月3日广州广乐高速发生隧道车祸火灾，引起多辆车辆着火，造成1人轻伤，引起交通严重拥堵；2014年山西晋城晋济高速发生车辆追尾，引起大火，造成31人死亡，9人失踪，并对隧道造成严重损坏。因此，对此类建筑的研究越来越重要。

1 研究现状

狭长通道由于自身的特点，失火后的烟气传输过程较为复杂，影响因素众多，其中影响最大的两个因素就是火源的大小和狭长通道中纵向通风的大小，火源大小直接决定了火灾的影响范围，而纵向通风则是控制火灾烟气传输、指挥救援及火灾扑救行动的重要因素[2]。这些年来多次发生的狭长通道火灾不仅给国家造成巨大的经济损失，也给人们带来了严重的伤亡以及不良的社会影响。因此，许多国家在狭长通道（主要为隧道）的科研上投入了巨大的人力和物力。虽然此研究耗费巨大，但很多国家还是研究并进行了一系列的全尺寸或大尺寸的实验，为狭长通道火灾烟气的防治积累了珍贵的实验数据。

火灾的研究方法主要分为全尺寸实验研究，缩尺度的小尺寸实验以及通过计算机进行的数值模拟研究。因为全尺寸火灾实验花费较大，因此很多火灾研究都选择进行缩尺度的小尺寸实验[3]。在这几十年来，随着对计算机的不断研究，其发展迅速，通过与有效的数学分析及数学方法的结合，一些理论模型便可以很好的应用于火灾科学以及消防工程实践中。

全尺寸实验就是根据火灾原型搭建的1：1实验平台进行实验，虽然耗费的人力物力比较大，重复性较差，但是更切合实际，能够最大限度反应火灾发生的真实过程，便于进行针对性的实验；小尺寸实验是通过模拟实验平臺与研究对象原型之间所存在一定比例关系，采用弗劳德尺度准则推导出与原型的比例尺寸进行实验，大大减少了成本，也方便重复实验，误差相对而言可接受，因此现在一般都进行缩尺度的实验研究；而通过计算机进行的CFD数值模拟实验相比而言就更为灵活方便，且其研究花费较低，并且可以针对火灾中的某一点的发展进行重复实验，逐渐成为目前火灾分析的研究热点，但其缺点是电脑进行数据处理的量较大，耗时较长。

在我国，王欢等通过计算机CFD模拟研究了在挡烟垂壁下狭长通道的烟气传输特性[4]；梁强等通过狭长通道小型实验台研究了烟气的运动过程及通道内O2、CO2、CO含量的变化及烟气对光照情况的影响[5]；李意以成都地铁五号线为例，结合人的恐慌心理及火灾烟气传输对疏散的影响进行仿真模拟，研究火灾发生后人群疏散的情况；胡隆华进行一系列全尺寸、大尺寸实验，建立了烟气层温度纵向衰减的预测模型，并验证了Kurioka的最高烟气温度预测模型；李立明将实验与CFD数值模拟相结合，建立了在自然通风及强制通风情况下的烟气温度纵向衰减模型；胡嘉伟通过小尺寸及CFD数值模拟实验研究隧道火灾的热烟气流物理特性。

2 狭长通道火灾特性

狭长通道一般指公路隧道以及一些城市地铁通道，其外围一般是土壤或岩石，当发生火灾时，内部结构无法自身排热排烟。如果有毒有害烟气不能及时排出，会导致热量积聚，使内部温度上升较快，对通道结构造成极大损坏，人员也将受到巨大伤害。狭长空间火灾有以下几个特点[6]：

（1）成灾迅速。狭长通道失火后演变成火灾的时间一般为5～10min，而火灾持续的时间则与狭长通道内的环境有关，一般将持续30min到几个小时之间。

（2）温升快。失火10s后，火源热释放速率将迅速增大；在开始灭火后，火灾环境温度将直线下降，而对于一般的室外火灾，其环境温度则是缓缓上升，这是因为狭长通道空间体积较小，又近似封闭状态，火灾所产生的热量不易疏散，从而导致热量急剧上升。

（3）易产生有毒气体。燃烧过程中由于狭长通道的空间受限特点，氧含量会急剧下降，并极易产生有毒有害气体。而且热的烟气更加危险，首先，热烟气由于自身的热浮力作用上升至狭长通道的顶部，而在很长的一段时间中狭长通道的下层仍是新鲜空气。当通道内纵向通风较大时，狭长通道内烟气的稳定性将会被破坏，导致通道内照明度降低，易使人大脑发生混乱，迷失方向最后中毒死亡。

（4）持续高温。出于狭长通道空间受限的原因，火焰燃烧方向主要向水平蔓延，热烟气由于纵向通风的作用将持续流动，而可燃物中传给烟气的能量最多为10%，其大部分传给了四壁，因此烟气的温度将会随着距离的增加而迅速减小，但是当四壁加热后，会产生大量的辐射热，所以高温将会保持很长一段时间。

（5）疏散困难。因为狭长通道的横截面较小，并且在火灾发生时人员会产生慌乱，极易产生拥挤混乱。而且，在狭长通道中物资的疏散也极其困难，因此要想在短时间内撤离将变得更加困难。

（6）探测救援困难。狭长通道发生火灾后，通道内火灾产生的局部热烟气流在通道纵向风速较小时，会产生逆向流动，热烟气将会流动至上风向通道口，导致救援及消防人员难以从上风向通道抵达火灾现场，加上大量烟气的存在导致照明度较低，救援变得更加困难，从而也拖延了救援时间。

3 狭长通道火灾烟气流动特点

由于狭长通道火灾发生在狭长受限空间，因此具有受限空间火灾的特点；火灾发生时，火源将加热其上方的空气使其温度升高、密度降低，被加热的空气在浮力的作用下将向上运动并不断卷吸周围新鲜空气，形成火羽流。火羽流在上升到一定的高度時，将撞击顶棚，然后转变为向四周的径向运动；径向运动到一定阶段后，将受到侧壁的作用而最终转变为沿通道方向的纵向一维运动过程。因此，狭长通道内火灾烟气的蔓延过程可分为5个阶段[7]：

阶段（1）：火羽流上升阶段。

阶段（2）：火羽流撞击顶棚阶段。

阶段（3）：径向扩散阶段。

阶段（4）：径向扩散的烟气遇到侧墙阻挡后向纵向蔓延的转化阶段。

阶段（5）：纵向蔓延阶段。

在通道内的烟气转化为完全的一维纵向蔓延阶段之前，将会发生一个特殊的物理现象——水跃。在水跃的发生过程中，一方面将导致烟流能量的突然损失，另一方面，烟流也将在这一过程中卷吸大量的环境空气而导致质量流率迅速增大。根据通道纵横比的不同，水跃可能在阶段（3）产生，也可以在阶段（4）产生[8]。

同一般火灾场所相比，狭长通道的突出特点是其长为普通火灾场所的上百倍。可以说，狭长通道是一种细长型的特殊建筑。在这样的特殊建筑火灾中，当温度较高的有毒烟气在通道传输时，烟气会不断地与温度较低的四壁及周围环境产生热交换，导致其温度持续降低。因此，在狭长的通道中，这种温度降低的效应将十分显著。

4 结束语

狭长通道火灾是一种特殊而复杂的火灾形式，随着社会的进步，经济水平的提升，人们对安全的重视程度也越来越高。因此，对狭长通道火灾安全问题的研究越来越多，也越来越细致深入。研究人员及建筑安全的方法也越来越多，越来越精确，通过对狭长通道火灾问题的进一步研究，相信在不久的将来，狭长通道火灾事故将会得到有效的控制，人员伤亡也会大幅度减少。

参考文献：

[1]霍然，胡源，李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].合肥：中国科技大学出版社，1999：1-2.

[2]李立明.隧道火灾烟气的温度特征与纵向通风控制研究[D].中国科学技术大学，2012.

[3]袁建平，方正，程彩霞，等.隧道火灾时拱顶最高烟气温度的实验研究[J].地下空间与工程学报，2010，6（05）：1094-1097.

[4]王欢，齐庆杰，姜海洋，等.挡烟垂壁作用下狭长通道内烟气输运特征研究[J].中国安全生产科学技术，2017，13（06）：150-156.

[5]梁强，李炎锋，李俊梅.狭长通道内火灾烟气流动特性实验研究[J].消防科学与技术，2016，35（09）：1221-1224.

[6]范宁.基于CFAST的狭长受限空间火灾模拟方法研究[D].安徽理工大学，2009.

[7]胡隆华.隧道火灾烟气蔓延的热物理特性研究[D].合肥：中国科学技术大学，2006.

[8]童艳，施明恒，茅靳风，等.竖井型公路隧道自然通风过程的实验研究[J].暖通空调，2009，39（9）：61-65.