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«——【·前言·】——»
隧道火灾是一个受到广泛关注的问题，因为它对隧道内的人员安全造成极大危险，同时也导致维修和运营成本的增加。
对于隧道火灾的研究方法，主要包括实验、理论和计算模拟，而全面的实验研究成本较高，因此很少进行，但可以提供可靠的数据，一些小规模的实验研究，它们的成本相对较低，但需要选择适当的模型和比例。
最经济实惠的方法，是使用计算流体力学模拟和分析方法，它允许研究人员通过对模型，进行相应修改来研究不同的情况。其中，CFD模拟是最准确的方法，但需要进行流体动力学、湍流、辐射、壁传导和燃烧等多方面的数值建模。
«——【·模拟火灾的数学模型和数值程序·】——»
在研究中，可以找到大量关于隧道火灾的CFD模拟研究，包括商业软件、开源代码以及一些较少被研究的代码，选择适当的湍流模型，是进行CFD模拟的重要方面，一些研究使用Fluent和一些研究代码，来模拟水下隧道火灾中的烟雾运动，湍流模型选用标准的k-ε模型。
还有一些研究使用CFX，模拟北京地铁4号线的纵向通风，并通过与之前的公式进行比较，来验证临界速度的结果，但由于计算负荷的原因，一些研究更倾向于使用标准的k-ε模型，而不是LES模型。
除了CFD模拟，还有一些研究使用美国国家标准与技术研究院的火灾动力学模拟器来研究烟雾运动，采用LES模型对湍流进行建模。一些研究还将FDS模拟结果与缩小规模的实验结果进行比较，以验证FDS的有效性。
在通风隧道火灾模拟中，常用的湍流模型包括：标准k-ε模型和低Reynolds数k-ω SST模型，标准k-ε模型是一种常用于湍流流动预测的模型，它基于剪切应力的涡粘性关系，低Reynolds数k-ω SST模型，则结合了两者的优点，适用于低雷诺数湍流流动。
隧道火灾中燃烧产物浓度超标，是对人类生命最危险的因素，。因此，建立适当的通风系统，对烟雾控制至关重要，数值模型的关键目标之一，是准确预测当前通风系统，所产生的后层长度和临界速度。
临界速度是指纵向通风系统中，可以防止烟雾回流的最低通风速度，纵向通风系统的作用，则是将烟雾驱散至隧道口，确保乘客可以通过隧道入口，或紧急出口安全逃生。
通风系统应该避免产生后层，但高通风速度，会为火源提供更多氧气，增加热量释放速率，并增加乘客逃生的困难度，一些实验根据稳态方法，和具有壁函数的K-ε模型的实验，进而提出了使用非稳态方法，和LES湍流模型的数值研究。
这个测试描述了一个隧道的几何结构，其中距离入口59.5米处有一个火源，假设池火是一个立方体热源，其放热速率是恒定的，并且在整个模拟过程中都保持最大值，那么在所有测试情况下，火场被认为是不可压缩的，因为马赫数需保持在0.3以下。
考虑到温差会引起浮力效应，实验人员使用了Boussinesq近似法，同时在低速情况下，由粘性剪切引起的热能可以忽略不计，而这一行为，是为了关闭雷诺平均纳维-斯托克斯平均流动方程。
这项实验，使用了两种不同的替代湍流模型进行比较：低雷诺数模型k-ω SST和计算要求较低的标准k-ε模型，并采用了壁函数处理。
在流体力学中，流动的变量包括压力 "p"，笛卡尔速度分量 "u"、"v" 和 "w" 在 "x"、"y" 和 "z" 方向上，以及温度 "T"，湍流建模涉及两个额外的因变量，在使用标准 k-ε 模型时，这些变量是湍流动能 "k" 和湍流耗散率 "ε"。
而在使用 k-ω SST 模型时，"k" 是湍流动能 ； "ω"是比耗散速率，在动量方程中，项 "gβΤΔΤ" 是指沿 "z" 方向的浮力，其中 "g" 是重力加速度，"βΤ" 是热膨胀系数，"ΔΤ" 是环境温度 "Τ" 减去参考温度。"ρ" 是流体在环境温度下的密度，"Cp" 是恒压比热容。"
在流体力学中，涉及到压力、笛卡尔速度分量和温度的流动变量，而在湍流建模中，还引入了两个额外的因变量：当使用标准k-ε模型时，这些变量是湍流动能和湍流耗散率；而当使用k-ω SST模型时，这些变量是湍流动能和比耗散速率。
在动量方程中，gβΤΔΤ表示的是沿z方向的浮力，其中g是重力加速度，βΤ是热膨胀系数，ΔΤ是环境温度Τ减去参考温度，而ρ是流体在环境温度下的密度，Cp是恒压比热容，q˙c表示单位体积的放热率。
有效的运动粘度是分子运动粘度ν和湍流运动粘度νt的组合,湍流运动粘度根据以下公式计算：当使用标准k-ε模型时，νt = cμk^2/ε，而当使用k-ω SST模型时，νt = α1k.max(α1ω, ΩF^2)。
起重工Pr是普朗特数，Prt是温度的湍流普朗特数，σk、σε和σω是湍流模型的常数，术语中的Pk和Gk分别表示湍流动能的剪切产生速率和浮力产生速率。
在湍流保守方程中，包含Gk项非常重要，因为如果没有它，将无法正确计算后层长度。术语光盘ω表示交叉扩散项。
通过将湍流模型应用于通风隧道火灾模拟，并将模拟结果与实验数据进行对比，可以评估和比较模型的性能。在比较中，需要考虑模型的准确性、稳定性和计算效率等因素。
而在通风隧道火灾模拟中，模型的计算效率至关重要，因为需要在短时间内分析大量数据，并做出及时的决策，标准k-ε模型和低Reynolds数k-ω SST模型，在预测火焰形状、烟气运动和温度分布方面，都表现出良好的一致性。
这两种模型能够准确地预测烟气的运动轨迹，并最终下降到地面的过程，实验数据与模拟结果在火焰形状、火焰角度和后层长度等方面趋势一致。
但这项模拟结果的温度值明显较高，这是由于模型忽略了辐射传热和隧道壁的热传导，在进一步的研究中，应考虑引入辐射传热模型和热传导模型，以提高模拟结果的准确性。
靠近墙壁的温度，在边界层的所有区域，和大范围的普朗特数中都有效，在初始条件上，实验人员采用了等温情况下的自洽稳态流场，温度等于环境温度，而对于平均流量方程的求解过程，需针对混合数值网格，开发一种以节点为中心的有限体积离散化技术。
计算中会使用Roe的近似黎曼求解器，来评估对流通量，对于粘性通量的离散化，在使用具有壁函数的标准 k-ε 湍流模型时，计算域由 481,950 个节点和 449,000 个六面体组成。
当使用低雷诺数 k-ω SST 湍流模型时，计算网格由 1,094,252 个节点，和 1,075,400 个六面体组成，第一层的厚度约为 10^-5，以满足 y < 2 的条件，两个数值网格在热源附近都更加密集。
«——【·实验结果与讨论·】——»
当不计算烟雾浓度，且不考虑辐射传热时，可以假设烟雾运动类似于温度场，在图中，分别显示了前1秒内的火焰和温度场的演变，很明显，两个湍流模型预测的烟雾随时间移动是相似的。
而在隧道火灾箱中，热源附近的介质被加热，并升起直到隧道的天花板，到达天花板后，它会移动到侧壁，随后沿着天花板移动到隧道出口和隧道入口，形成后层长度。
实验人员给出了两个湍流模型预测的速度矢量，分别是特征截面和力矩，用于更方便的揭示烟雾运动，很明显，对于这两种情况，烟雾到达天花板需要不到1秒，到达侧壁需要不到5秒，早在之前湍流模型就预测了类似的流动模式。
而这项实验中的最高温度值、火焰形状和后层长度似乎令人满意地一致，这说明回流越少，火焰倾斜越大，通风速度更高，烟锋达到稳态后层长度所需的时间，分别约为1和2秒。
实验报告显示，辐射在隧道火灾中起到重要作用，约占热源释放热量的20-50%，然而，计算得到的温度曲线，仍然具有相同的“S”形状，因此，温度会随着高度的增加而升高，并且在烟羽内达到最大值。
两个湍流模型，都计算出了热源下游18米和40米处的近似温度剖面，实验还展示了距离热源18米和40米的温度曲线，研究人员根据实验结果，比较了具有壁函数的标准k-ε，和低Re-k-ω SST湍流模型，在精度、稳定性和计算时间方面的性能。
其中，流动型和温度场都与实验结果吻合良好，与实验结果相比，忽略辐射和壁传导模型，导致了更高的温度，在以后的研究中，研究人员将介绍包含这两个模型的仿真，并改进温度场的计算方法。
对于瞬态结果的分析，研究人员关注了隧道火灾中火焰和温度场的演变，在图中展示了两种情况在前1秒内的具体演变情况，从中可以观察到，两个湍流模型对烟雾运动的预测是相似的。
根据实验显示，烟雾最后会在热源附近被加热并升起，然后沿着天花板移动到侧壁，并最终下降到地面，图中显示了速度矢量，揭示了烟雾的运动轨迹，由此可以看出，烟雾到达天花板的时间不到1秒，到达侧壁的时间不到5秒。
随后，研究人员使用标准的k-ε湍流模型进行模拟，在初始时刻t=2秒开始，每个物理时间步长需要不到250个伪时间步长。
需要注意的是，在仿真的前2秒，才是最关键的，相比于其余部分，伪时间收敛需要更多的伪时间步长，通过比较实验数据和模拟结果，研究人员发现火焰形状、火焰角度，和后层长度趋势是一致的。
模拟结果的温度值较高，可能是因为研究人员，忽略了辐射传热和隧道壁的热传导，在未来的研究中，研究人员将进一步改进模型，以考虑这些因素，并提高温度场的准确性。
«——【·总结·】——»
通风隧道火灾是一种极具挑战性的情况，需要进行准确的数值模拟，来评估火灾的扩散和烟气运动，在这方面，湍流模型起到了关键作用，本研究对比了两种常用的湍流模型：标准k-ε模型，和低Reynolds数k-ω SST模型，并在通风隧道火灾中的应用进行了数值研究。
这两种模型在预测火焰形状、火焰角度和后层长度方面，都表现出良好的一致性，两种模型都能够准确地预测烟气运动的轨迹，包括烟气上升到天花板、沿着天花板移动到侧壁，并最终下沉到地面的过程。
这两种模型，同时也在火灾处置领域发挥着关键作用，通过模拟烟气传播和火焰扩展，可以更好地掌握火灾事故的发展规律，制定科学合理的重要应急措施，随着科技的不断进步，湍流模型的应用将更加精准，为人类创造更安全的隧道环境，确保人员生命财产安全。
