摘要
随着我国社会经济的飞速发展和城市化水平的提高，交通运输量不断增加，交通拥挤及环境污染加剧已成为城市交通的顽疾，修建城市地下公路隧道是解决城市交通拥堵及改善城市交通环境问题的重要方法。然而，近年来随着城市地下空间的不断开发利用，城市地下可用空间也日趋紧张，这使得新建的城市地下道路需要跨越或者下穿已有的地铁、综合管廊、地下交通枢纽等地下设施，竖向线型日趋复杂。 城市公路隧道坡度多变的结构特点，在变坡点附近发生火灾时，高温烟气产生的浮力会对沿坡度方向向上流动的烟气起推动作用。若V形坡两侧坡道的坡度和长度有差异，则在变坡点两侧会产生不对称的驱动压差，使得烟气流动向坡度大的一侧偏斜，另一侧烟气则向火源侧回流。这种不对称的压差会随着火灾的持续，隧道内温度的升高而逐渐增大，对火源处羽流的卷吸以及顶棚射流的流动产生极大的影响，使内部的烟气流动呈现出明显的时空变化特征。因此针对不对称V形隧道发生火灾时，了解其隧道内烟气温度分布和烟气扩散规律的研究成为的亟待解决的研究课题之一。 本文依据北京某城市地下公路隧道，搭建了1∶20的变坡点两侧坡度可调的V形隧道模型实验台。采用理论分析、小尺寸实验及数值模拟相结合的方法，研究了火源位于变坡点处，不对称V形隧道结构对火焰形态、温度分布特性、烟气回流长度、纵向诱导风速及抑制烟气回流的临界隧道坡度条件的影响。研究结果表明: 第一，变坡点两侧不对称坡度结构引起隧道内的烟气的不对称流动使得火焰发生倾斜，火焰倾角会随着不对称V形隧道的大坡度侧隧道坡度、两侧隧道坡度差及火源功率的增大而增大，并提出火焰倾角关于两侧隧道坡度及火源功率的预测模型。隧道顶棚最高温度随着大坡度侧坡度、两侧隧道坡度差的增大而减小，且顶棚最高温度位置均偏向大坡度侧隧道，并与前人模型进行对比验证。 第二，针对不对称V形隧道结构对隧道顶棚温度纵向分布影响。研究结果表明小坡度侧的顶棚温度及温度分布范围随着大坡度侧隧道坡度的增加而减小，大坡度侧顶棚温度衰减速度随着自身坡度的增加而减小，当大坡度侧坡度为9％时，小坡度侧顶棚温度几乎均接近环境温度。分别建立大坡度侧隧道及小坡度侧隧道的顶棚无量纲温升纵向衰减模型，并将实验结果与两个预测模型预测结果进行对比验证。 第三，在两侧隧道坡度差较小且基础坡度较小时，两侧隧道内的烟气蔓延至整个隧道。当坡度差或基础坡度较大时，小坡度侧烟气扩散出现回流现象。烟气回流长度随着坡度差和基础坡度增大而减小，但当V形隧道结构相同时，不同火源功率的小坡度侧隧道烟气回流长度非常接近。当坡度差较大时，纵向诱导风速主要受大坡度侧隧道坡度的影响，受小坡度侧隧道坡度影响较小。基于烟气扩散规律及纵向诱导风速形成的原因和机理，建立了不对称V形隧道小坡度侧烟气蔓延长度的预测模型和纵向诱导风速的预测模型。提出能抑制烟气向小坡度侧扩散的临界坡度条件表达式，并进行数值模型检验。
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