高速铁路隧道救援站火灾研究方法

目前，隧道火灾的研究方法主要包括理论分析、试验研究及数值计算。

1.5.1.1　理论分析

理论分析是基于质量、能量和动量守恒，并结合无量纲分析、羽流发展模型、烟气扩散理论等，建立可用于描述隧道火灾烟气流动及控制的理论计算模型，分析隧道内烟气流动特征。

1.5.1.2　试验研究

隧道火灾试验研究可分为全尺寸燃烧试验、小尺寸燃烧试验和介质类比试验[9-11]。

（1）全尺寸燃烧试验。

此类试验是在真实建造的隧道中开展火灾试验，试验结果真实可靠。但全尺寸隧道火灾试验需要投入大量的人力、物力、财力，试验费用大、周期长，试验的测量系统和测量方法复杂[12]。中国科学技术大学胡隆华[13]通过全尺寸试验，获取了大量可靠的数据，完善了隧道火灾相关理论。

（2）小尺寸燃烧试验。

小尺寸燃烧试验也称缩尺寸燃烧试验，是基于相似准则在缩尺隧道模型中进行的燃烧火灾试验。小尺寸燃烧试验可以较好地反映实际隧道中的火灾场景，能够真实地模拟实际隧道火灾时的温度场和浮力流动特性。与全尺寸火灾试验相比，小尺寸燃烧试验周期短、代价低，还可以方便地调整试验参数以研究烟气流动的一般规律，而且不受室外气象环境的影响。目前，大部分隧道火灾试验研究都是釆用小尺寸燃烧试验开展和完成的[14-16]。

（3）介质类比试验。(https://www.xing528.com)

介质类比试验包括水混合物试验和冷烟气试验。

水混合物试验可分为盐水试验和乙醇水试验，其原理是将火灾的温度差引起的烟气与隧道外空气的密度差用盐水或乙醇水与水的密度差代替，从而通过模拟盐水或乙醇水在清水中的流动来模拟火灾的烟气扩散规律。此方法过程直观、可重复性好、花费较低，但缩尺盐水试验误差较大、理论基础还不够完善，同时它忽略了高温火焰辐射效应和壁面传热。最重要的是由于盐水和乙醇水的密度有限制，能模拟的火灾烟气密差异仅为0.8～1，故只能模拟小型火灾，不适用于隧道内大型火灾的研究[17]。

冷烟气试验主要分为氦空气混合物和氦氮混合物在常温情况下试验，试验原理是用氦空气或氦氮混合物与空气之间的密度差代替隧道火灾烟气与空气之间的密度差而形成的空气流动特性，通过不同混合比例模拟不同的火灾规模。冷烟气试验模拟存在以下几个问题：

①忽略了烟气辐射效应和壁面传热现象；

②未考虑火源燃烧卷吸的羽流现象；

③相应位置的火源温度及烟气污染物浓度无法确定。故对隧道内的大型火灾的研究，冷烟气试验具有局限性。

1.5.1.3　数值计算

随着计算机硬件和软件的发展以及数值计算方法的日趋成熟，基于流动与传热理论的商用CFD软件得到了越来越广泛的应用。科研人员可以通过数值模拟技术进行科学研究，这使得研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来，有更多的精力投入到考虑计算的流动问题的物理本质、模型的简化、边界条件和计算结果的合理解释等重要方面。

一般CFD数值模拟软件包含前处理、计算和生成数据结果及后处理三个部分。前处理包括建模、生成网格、设置边界条件等；计算过程是由CFD软件的核心解算器根据具体的模型，完成相应的计算任务，并生成结果数据；后处理是将生成的结果数据以直观可视的图形形式表现出来。目前，常用的可用于火灾模拟计算的CFD软件有FDS、FLUENT、STAR-CD、PHOENICS、CFX、FLOW3D等。