Jakub Bielawski, Wojciech Węgrzyńsk 波兰建筑研究所隧道作为我们日常生活中不可或缺的交通基础设施。然而，由于隧道封闭性的特点，交通事故和汽车故障导致的隧道火灾经常会导致灾难性的后果，因此其消防安全至关重要。比如，连接英国和法国的英吉利海峡海底隧道曾发生过多起火灾，其中1996年的火灾造成交通中断一个月之久；2022年韩国一高速公路隧道火灾致5死37伤、45辆车被烧毁。然而，当极端天气（如局部强降雨）与隧道火灾同时发生时，情况可能会变得复杂且危险。因此，我们开展了一系列研究，旨在探讨强降雨对隧道火灾的影响。此前，我们通过缩尺模型进行了实验，发现外部强降雨能够在隧道内引起纵向气流，从而改变隧道火灾的烟雾扩散模式，对隧道工程的消防安全构成直接威胁。相关内容详见我们之前的文章《强降雨如何影响隧道火灾？》。然而，对于全尺度的火灾情景预测，仍面临诸多挑战。为此，近期我们采用了数值模拟技术，对强降雨影响下的隧道火灾特性进行了调查。这项研究帮助我们预测真实尺度的隧道火灾在不同强降雨条件下的行为特征及潜在后果。数值模拟是一种基于物理模型与数值计算的研究手段，能够有效地模拟流体流动、热传递和化学反应等过程，为分析强降雨条件下隧道火灾的复杂动态提供了重要工具。在本研究中，我们采用计算流体力学CFD技术，利用 Fluent平台进行了详细的数值模拟分析。具体而言，我们采用拉格朗日粒子追踪法，基于离散相模型（DPM）模拟雨滴，将雨滴视为独立的粒子，通过在降雨域引入水滴粒子来模拟雨滴的运动，图1显示了雨滴的运动轨迹。同时，采用组分输运模型（Species Transport）以模拟液体燃料的燃烧，构建了数值模拟模型（图2）。![]()
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研究结果显示，降雨产生的局部增压致使隧道两端存在压力差（图3（a）），从而在隧道内形成纵向气流（图3（b））。![]()
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图3：（a）降雨产生的隧道两端压力差，（b）隧道内纵向气流（case: I=40 mm/h, d0=1.0 mm）
在这种纵向气流的作用下，火灾烟雾向强降雨一侧隧道口的扩散受到有效抑制。将数值模拟结果与模型试验数据进行比较，验证了该模型设置的有效性和准确性（见表1和图4）。表1：降雨端局部压增的模拟值和理论值比较
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图4：不同强降雨条件下隧道内纵向气流速度分布的模拟值与实验值比较
这为我们对全尺度降雨条件下隧道火灾的数值模拟提供了支撑。通过等比例放大当前模型至实际隧道尺寸，我们能够将该模型应用于真实场景中。图5展示了在不同强降雨条件下，实际隧道内汽车火烟气扩散情况的预测结果。
图5：全尺度不同强降雨条件下隧道火灾烟气扩散情况模拟预测，依次为(a)I=0 mm/h。(b)I=100 mm/h, d0=4 mm。(c)I=100 mm/h, d0=6 mm。(d)I=150 mm/h, d0=4 mm。(e)I=150 mm/h, d0=6 mm。(f)I=200 mm/h, d0=4 mm。(g)I=200 mm/h, d0=6 mm
同时，我们建立了降雨导致的局部压力增加（图6（a））及降雨侧隧道口纵向气流速度（图6（b））与降雨参数的关系预测模型，能够帮助我们快速预估降雨带来的影响量级。这项研究成果将为隧道消防的安全管理和设计提供重要的理论依据，帮助我们更好地应对气候变化带来的挑战。![]()
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图6：降雨导致的局部压力增加及降雨侧隧道口纵向气流速度与降雨参数的关系
数值模拟作为理解复杂火灾情境的重要工具，在预测火灾与极端天气相互作用方面发挥着关键作用。目前，相关研究成果已发表在《Case Studies in Thermal Engineering》和《Journal of Thermal Analysis and Calorimetry》。未来，我们将继续深入探讨对多重灾害风险的认识，研究强降雨天气下隧道火灾烟气的优化控制参数，为构建更安全、可靠的交通网络提供支持。
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相关链接文献
[1] Luan D., Bielawski J., Fan C., Węgrzyński W., Huang X. Numerical Simulation of Tunnel Fires under the Influence of Heavy Rainfall. Case Studies in Thermal Engineering, 2024, 62:105186.[2] Luan D., Bielawski J., Fan C., Węgrzyński W., Huang X. Impact of Rainfall on Smoke Dynamics in Longitudinally Ventilated Tunnels: Model-Scale Fire Test Study. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2024, https://doi.org/10.1007/s10973-024-13575-w.栾蝶：中南大学消防工程系博士研究生，研究方向为地下空间火灾防治技术。
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范传刚：中南大学教授、博士生导师，研究领域包括火灾科学和消防工程。
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黄鑫炎：香港理工大学副教授、博士生导师，研究领域包括基础燃烧科学和火灾安全应用。
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图文 | 栾 蝶
审核 | 黄鑫炎
