隧道火灾烟气危害性及其火灾特性
隧道火灾中产生的大量烟气威胁人员逃生、影响火灾扑救路线、阻碍救援人员对伤员的救助。
就其火灾特性来说，隧道火灾由于其狭长空间形式，致使火灾的发展和烟气的蔓延特性不同于一般建筑。
隧道火灾中的烟气分层、温度分布、热释放速率以及其临界风速等，在不同送风条件下的特性也各不相同。
一、隧道火灾烟气危害性
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隧道火灾烟气对人员的危害
隧道火灾发生时，其火灾烟气对人员造成的危害主要体现在以下三个方面：
（1）火灾烟气具有毒害性，烟气中所含CO等有毒气体，对被困人员呼吸系统的毒害作用，危害巨大。
当火灾燃烧到一定的阶段，CO2浓度可达15%－23%，当空气中CO2浓度大于20%，或者CO浓度大于1%时，在短时间内可致人死亡。
随着火灾的发生和发展，隧道中热烟气层的高度不断降低，一旦降低至人的口鼻的高度，就会对人员的呼吸造成影响，威胁到逃生人员的生命安全。
（2）烟气具有很强的减光性，烟气的蔓延会极大降低隧道内能见度。这一危害作用，在建筑长走廊中进行人员疏散时，尤为危险。火灾中由于火势的蔓延破坏，使隧道内的照明中断，对人员的逃生更加不利。
（3）火灾烟气具有高温辐射性，起火点附近温度可达800－900℃，有时甚至高达1000℃以上。高温可对人的皮肤形成热灼伤甚至导致死亡，研究表明，人在空气温度达到150℃的环境中，只能生存5min，这对逃生人员造成巨大威胁。
02
隧道火灾烟气对灭火作战的影响
隧道属于狭长受限空间，火灾烟气在狭长受限空间内的输运不同于一般建筑中，隧道出入口少，烟气流动距离长，不易排出，这更增大了内攻灭火和救人的难度。
（1）低能见度阻碍了侦查人员发现火点。
隧道发生火灾时，一旦供电设施断电，照明不足，进入火场内部寻找火点的消防队员就难以进行有效侦查。若隧道内烟气大量蔓延扩散，即使有应急照明设备，照射出的灯光也难以穿透烟粒子，形成有效照明。因此，前期的侦查行动受到火灾烟气的阻碍，会严重拖延灭火行动的开展。
（2）烟气的蔓延阻隔了内攻灭火通道。
隧道空间结构狭长，出入路线单一，在灭火内攻时，若火灾烟气在铺设水带的路线上蔓延，内攻行动就会严重受阻，甚至被迫停止。因此，灭火通道上的排烟行动必须要预先展开。
（3）烟气的毒性影响灭火作战效率。
火场中弥漫着有毒烟气，进入火场的无论是指挥员还是战斗员，都要佩戴空气呼吸器或者氧气呼吸器，以免呼吸受到影响。呼吸防护装备的佩戴，必然会对作战人员的灵活性和机动性造成一定的不良影响。
同时，消防部队最常配备的空气呼吸器的使用时限一般不超过30min，当战斗员在高温、浓烟、黑暗条件下作战，体能消耗增强，加之恐慌的心理作用，使得空气呼吸器钢瓶的使用时间一般按照20分钟计算，这更是大大降低了灭火作战的效率。
二、隧道火灾特性
由于空间的限制，隧道火灾中热烟气层反馈给内部空间的热量比在室外火灾中接受的热量要大得多。
图6.1阐明了隧道火灾与室外火灾热反馈的不同之处，室外火灾中可燃物受到的火焰辐射很少，而隧道火灾中，可燃物周围的高温烟气对其产生的辐射热要远远高于室内火灾。
图6.1 隧道火灾与室外火灾热反馈
由于热反馈较大，在室外火灾中不会被引燃的可燃物在隧道中会剧烈燃烧。
例如，与开放环境相比，隧道中的火灾热释放速率能增大4倍。此外，可燃物的燃烧使得氧气不足，火灾大部分情况下属于通风控制，会产生大量烟气和未完全燃烧产物。
因此，通风是影响火灾发展的重要因素，有时会决定火势的蔓延扩大或窒息熄灭。这表明，正确的送风方式和时机，对于控制火灾发展和烟气蔓延十分关键。
01
烟气分层
在燃料控制的隧道火灾中，烟气流动状态和烟气分层程度取决于隧道内部的风速。
为了便于描述，一般将隧道内风速划分三种速度范围：
（1）无强迫通风（低速气流）：0~1m/s;
（2）中等强迫通风：1~3m/s;
（3）高速强迫通风：速度大于3m/s。
低风速范围一般是自然通风状态，烟气在火源附近形成烟气层。烟气在隧道内的回流长度相对较长，火源上游和下游两个方向的烟气扩散距离大致相同，当纵向风接近1m/s时，回流长度大概是隧道高度的17倍。
中等风速下，火源附近的烟气成层被纵向风速强烈影响，回流长度为隧道高度的1~17倍。
强迫通风所形成的纵向气流一般速度较高，这种情况下，火源下风方向的烟气成层程度低。因此，利用排烟装备形成高速气流强迫通风排烟时，必须要确认火灾下游区域内的人员疏散完毕。否则，烟气的高度湍流会对下游人员造成巨大威胁。
02
温度分布
利用移动装备对隧道进行送风排烟时，隧道顶部温度的纵向分布与烟气分层有一定的联系。
Newman指出，温度分布和气体产物以及烟气分布有一定关系；Ingason和Persson研究发现，火源处的烟气密度和温度以及氧气浓度具有相关性。
因此可以得知温度分布和烟气层的分布是相关的，而温度分布不仅与风速有关，还与热释放速率和隧道高度有关。
这些参数通常可以用Froude数（表征惯性力与烟气层的浮力之比）和Riehardson数（表示浮力和惯性力的比值）联系起来。
在模拟烟气流动和传热问题之中，Froude数被广泛应用。Newman根据Froude数将温度分布区域划分为三个，见图6.2。 
区域一，Froude数小于0.9，烟气明显分层，热烟气沿隧道顶部蔓延，而地面附近的气体温度接近于环境温度。
区域二，Froude数在0.9到10之间，这个区域水平方向的流动和浮力驱动流动强烈反应，尽管没有很强的烟气分层，但是在竖向存在温度梯度，也就是说，通风气流与火羽浮力作用之间有强烈的反应。
区域三，Froude数大于10，在这个区域，竖向温度梯度并不明显，因此没有明显烟气分层。
阳东等多名学者在长宽高尺寸为7.5m×1.5m×0.6m的通道试验台内进行火灾实验，在8 kW ~18 kW的不同火源功率下，得出Froude数在1.28~2.5之间时，烟气层出现不稳定，烟气涡旋的破碎导致烟气向下部空间扩散；当Fr>2.5时，热分层的稳定性完全破坏，致使火灾烟颗粒分层状态受到破坏，烟颗粒层在纵向厚度上明显增加。
但是需要说明的是，他的实验是在纵向通风风速较小的条件下进行的，对于排烟装备制造的较大风速条件下的适用性还有待验证。
在隧道内，对于火灾下游的气体，若由于纵向风的作用，热烟气与隧道空气充分混合，混合气体的平均温度、速度、浓度，作为与火源位置距离x的方程，是可以计算得到的。
03
热释放速率
为了控制火灾烟气蔓延，许多隧道中都装有纵向通风系统，然而设计部门却很少考虑通风对于火灾的发展和传播的影响。
尤其是当这些固定系统一旦失效，利用移动排烟装备进行烟气控制，对火灾热释放速率的影响，亟需深入研究。
火灾热释放速率与诸多因素相关，包括燃料的燃烧充分程度和氧气的供给程度。
尽管已经有很多文献研究不同通风条件下的烟气输运行为，却少有涉及到对于火灾自身的影响，因此，送风排烟下的火灾热释放速率无法明确。
例如，对于隧道火灾， Heselden(1976)估算重载车辆（HGV）火灾热释放速率大约20MW。然而，Grant(1997)采用风速为3m/s的纵向通风，在隧道中进行的重载车辆火灾实验，测试得的热释放速率超过了120MW。
隧道内风速增加，使火灾热释放速率增加，是由于火焰对可燃物给予了更多的热量传递，并且有更多的氧气运送到火源，加强了氧气与燃料的混合。
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临界风速
临界风速为隧道内发生火灾时，为了抑制火灾烟气回流，通过火场送风，在隧道内形成的最小纵向送风风速。图6.3为临界风速时烟气没有发生回流现象。
Bettis等通过进行全尺寸实验，发现火源较小时，临界风速随热释放速率的1/3次幂指数而变化；当火源较大时，临界风速却随热释放速率的变化而不再发生变化。
Parsons在Memorial火灾通风实验中发现，基于Froude数的临界风速预测模型在火源功率为50~100MW的火源热释放速率范围内，比实际临界风速偏高5~15%。
因此基于Froude数的预测模型对于较大的火灾是不适用的。
在进行隧道火灾扑救时，消防员的最终目标是疏散和救援所有被困人员，控制并熄灭火灾。火场送风排烟根据临界风速原理，可以将火灾产生的烟气控制在火源的下方，这会在火源上风方向提供一个无烟的逃生路线。
然而，值得注意的一个问题是，达到临界风速的火场送风，可能会加剧燃烧物的燃烧。因此，在利用排烟装备进行火场送风排烟时，要合理调节排烟装备的战术参数。