本文是一篇土木工程论文，本文首先对隧道火灾烟气发展的过程和 FDS 火灾模拟软件进行介绍，依托实体工程，通过阅读大量参考文献，并依照现有规范要求，对火源功率进行设定，并对模型参数进行设置，建立符合实际情况和规范要求的物理模型，分析不同工况下隧道的烟气蔓延变化情况。
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
快速发展的世界经济，对交通运输的能力提出了更高层次的要求，为了使交通更加便捷，满足现代交通的发展，我国修建了大量的交通隧道。隧道是人类为了满足自身发展需要而利用地下空间的一种建筑形式，广义上定义为埋置在岩体或者土层中狭长而相对封闭的地下工程建筑物，其长度可为宽度的成百甚至上千倍。19 世纪末，在台湾建成的狮球岭隧道，是我国的第一条铁路隧道。2009 年 11 月 5 日，我国大陆的第一条海底隧道厦门翔安隧道全线贯通，这标志着我国跨海大桥的建设拉开了帷幕。2011 年 7 月开始建设的世界最长的冻土公路隧道，鄂拉山隧道全长为 9330 米，海拔有 4300 米。2014 年 12 月，我国在建的最长铁路隧道关角隧道完成铺轨，该隧道全长为 32.645 公里，海拔最高达到了 3784.68 米。据交通运输部统计，截止 2019 年末我国公路隧道共 19067 处、1896.66 万米，较 2018 年增加 1329 处、173.05 万米[1]。
日益增长的隧道数量和隧道长度，致使公路交通隧道内火灾的危险性也随之增大。Tor-Olav N vestad 等[2]人对挪威公路隧道内发生的车辆火灾事故进行了调研，数据显示，每1000 个隧道中平均每年发生车辆火灾 21.25 起。虽然公路隧道火灾事故与地面交通事故相比发生概率较小，但由于隧道火灾具有烟气蔓延迅速、救援难度大、人员逃生困难等特点使其具有严重的事故后果[3-5]。隧道火灾区别于一般建筑火灾的特点具体如下：
（1）起火原因复杂多变
隧道火灾主要由车辆及其运载货物的燃烧、爆炸引起。可燃物的类型、数量等决定了隧道的火灾规模及危害后果。隧道内车流量、车型多变，运载货物、起火源不确定等因素决定了隧道火灾在其发生、发展和致灾等方面比其他建筑更具有多变性和随机性[6]。
例如 2012 年 5 月 7 日，一辆厢型车在台湾雪山隧道南下车道 26 公里处爆胎，后方车辆疑未保持安全车距，尾随在后的 3 辆车发生追撞，引发车辆燃烧，如图 1.1 所示，事故致使 2人死亡、31 人被浓烟呛伤。
图 1.1 雪山隧道火灾场景图
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
（1）国外大尺寸及全尺寸隧道火灾的实验研究
2003 年，欧洲的 UPTUN 项目在挪威的 Runehamar 隧道内进行了 4 次大尺寸隧道火灾实验，瑞典的 Anders Lonnermark 等[10]通过其中的两次实验，对气流的振荡情况进行了观察和研究，同时应用基于阻抗的频率响应分析方法对气流的振荡周期和时间进行了研究，得出在某一定频率范围内，较小的气流扰动会产生较大的流动压力的结论。E.Blanchard 等[11]在 1/3的隧道模型内，以 4MW 的庚烷池火为模拟火源，测量得到了温度、辐射通量和风速以及燃料的质量损失速率等参数，获得的实验数据可用于描述不同条件下隧道火灾的发展过程。YoonJ. Ko 等[12]通过全尺寸抑制实验和 CFD 模拟，对水基固定灭火系统抑制纵向通风隧道火灾烟气回流的有效性进行了研究，结果表明水基固定灭火系统能在低于临界风速的情况下抑制烟气回流，同时还提出了用于估计水基灭火系统开启时抑制烟气回流的最小风速的方法。Eui JuLee 等[13]在 1:20 的隧道模型进行了相当于全尺寸 5MW 的火灾实验，通过将局部排烟系统的性能量化，最终得到自然通风效率达到 30%时，自然通风效果要优于纵向通风。
（2）国外隧道火灾排烟方面的实验研究
Fumiaki Ura 等[14]搭建了带有自然通风竖井的公路隧道 1:12 模型，对相邻的两条公路隧道之间采用柱和墙两种不同结构时的火灾烟气运动情况进行了研究，结果表明使用墙结构下的烟气扩散距离要小于使用柱结构的情况，当开孔率达到 15%时，烟气能够很快排出隧道。Ahmed Kashef 等[15]在带有竖井的自然通风隧道 1:15 模型上进行了一系列实验，根据实验结果和一维理论，构建了烟气温度分布公式，对温度分布和烟气扩散程度进行了研究。Ju-seog Ko等[16]在 1:50 的隧道模型内引入通风竖井，研究得到了隧道火灾时通过竖井的最佳排气流率。R Harish 等[17]做过顶部开口自然通风隧道火灾烟气的运动特征的数值模拟，并通过烟气回流长度预测模型验证了所建模型的有效性。O.Vauquelin 等[18]在带有机械排烟口的 1:20 的隧道模型内，对排烟口的位置、形状，以及当火源功率变化时，系统的排烟效率变化情况进行了研究，结果表明排烟口位于隧道顶棚的排烟效率要优于排烟口位于侧墙的排烟效率；对于特定的排烟效率，绝对排烟体积流率随热释放率的增大而增大，而相对排烟体积流率（排烟体积流率与火灾烟气体积流率之比）随之减小。R Harish 等[19-21]在研究粘附溢流的卷吸问题时发现了烟气沿着隧道顶棚一维蔓延进入竖井时发生边界层分离之后又重新吸附到竖井侧壁的现象。
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第二章 竖井烟囱效应极限高度研究基础
2.1 隧道火灾烟气运动特性
2.1.1 隧道火灾烟气发展过程
隧道内发生火灾时，火源将其上方的空气加热，使得空气温度升高，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的新鲜空气，形成火羽流[34]。随着火羽流上升到一定高度后，将撞击隧道顶棚转为向四周径向蔓延。径向流扩散到一定阶段以后，由于隧道侧壁的限制将最终转为沿隧道方向纵向一维运动过程。因此，隧道内火灾烟气发展过程可以分为五个阶段[35]。
第一阶段：火羽流形成并上升阶段。火灾发生初期，与敞开空间的燃烧一致，火源产生的物质在浮力作用下不断卷吸周围新鲜空气形成轴对称羽流。
第二阶段：撞击隧道顶棚阶段。此阶段又可以根据火源高度、功率大小和隧道顶棚的高度，分为烟羽撞击和火焰直接撞击两种情况，在该阶段形成了顶棚射流。
第三阶段：径向蔓延阶段。
第四阶段：径向蔓延的烟气遇到隧道侧壁阻挡后沿隧道两侧纵向蔓延的转化阶段。从第二阶段到第四阶段，完成了顶棚射流径向传播向隧道方向一维传播的转变过程。
第五阶段：一维烟羽流传播阶段。火灾烟气沿隧道顶棚向隧道开口方向蔓延形成了位于隧道上部的热烟气层。同时，新鲜的空气从隧道开口进入，在热烟气层底部向火源运动，形成下部的冷空气层。因此，隧道内烟气温度纵向衰减与分层是隧道火灾烟气传播的特点之一。
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2.2 火灾模拟软件介绍
2.2.1 软件概述
FDS 是美国 NIST（National Institute of Standards and Technology）开发的一种场模拟程序，它是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的 N-S 方程，重点计算火灾中烟气和热传递过程。FDS可以模拟火灾导致的热量和燃烧产物的低速传输、材料的热解、火焰传播和火灾蔓延、辐射和对流传热、水喷淋、感温探测器和感烟探测器的启动，以及水喷淋对火灾的抑制效果等[39-41]，主要用于解决一些大型火灾安全事故中的实际问题，同时也是研究火灾基本动力学理论和燃烧的工具，被广泛的应用在模拟研究方面，在火灾导致热流蔓延和烟气扩散传播方面具有较强的适用性。
FDS 模型的输出物理量包括：释热速率、喷淋和探测器的响应时间、固体和开口的质量流能量流、温度、速度、气体组分浓度、烟层浓度和能见度、压力、单位体积释热速率、混合分数、气体密度、单位体积液滴质量、内外表面的温度、辐射和对流热量、燃烧速率、单位面积水滴质量等。FDS 分为输入运算部分和数据输出图形化显示部分，数据处理部分即 FDS主程序部分，数据结果图形化显示部分即 Smokeview。FDS 主程序，主要是接受各种数据参数的输入、边界条件的设置以及程序的数值模拟计算。PyroSim 是经美国标准技术研究院研发，在 FDS 的基础上发展起来的，它为火灾动态模拟（FDS）提供了一个图形用户界面。当然最新版本的 FDS 已经可以通过 Pyrosim 软件进行相应参数的输入，并且在输入的同时，会有相应的模型显示，提高了数据输入的效率；而 Smokeview 则是一个图形化的输出工具，它可以显示点状以及切片状的数据，并通过不同的颜色加以标记，可以让结果显示得更清晰明了，给结果分析带来了很大的方便[42]。
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第三章 隧道竖井烟囱效应极限高度的确定.............................11
3.1 数值模拟试验设计............................... 11
3.1.1 隧道模型建立的基础.............................. 11
3.1.2 模型参数的设定及网格划分....................... 11
第四章 竖井截面尺寸对烟囱效应极限高度的影响研究.....................20
4.1 不同竖井截面尺寸的竖井极限高度研究........................20
4.1.1 竖井截面尺寸 1m×1m 的极限高度 ..........................
