火灾是隧道运营阶段面临的主要安全隐患之一,燃烧所释放的高温、剧毒烟气,不仅会造成大量的人员伤亡及财产损失,更将导致恶劣的社会舆论和长期影响。同时,由于近年来我国城市化水平全面提高,经济建设进展加快,交通需求也越来越大,新建隧道往往具有更大的宽度以扩展其通行能力。在宽浅断面隧道中,烟气的多维运动特征将趋于显著,这将使得排烟、控烟难度进一步加大。因此,针对宽浅断面隧道火灾的烟气运动特征展开研究无疑具有重要的意义。本文基于工程学、热力学、计算流体动力学等多学科交叉手段,结合理论推导、物理实验及数值模拟等研究方法,对宽浅断面隧道的烟气动力学特征、拱顶温度衰减特性及烟气控制关键指标进行了系统的研究。主要成果如下:(1)在侧壁位置处烟气的回流长度较中心位置处更大,当纵向风速较小时,不均匀现象主要由通风气流的不均匀分布引起;当纵向风速较大时,不均匀现象受通风气流的流速分布及烟气的多维效应共同作用。由于烟气前锋的不均匀分布,使得控制全断面不产生回流的纵向风速uc,t较控制中轴面不产生回流的临界风速uc,c更大,且uc,t与uc,c的比值随宽高比的增大而增大,在宽高比达到7.8时,uc,t/uc,c达到极值1.17。(2)当纵向风速较大时,烟气的运动过程具有明显的分岔特性,并导致火源下游形成低温区。随着宽高比增大,低温区范围不断提升,且其温度有所降低。(3)火源上游浮力驱动流的温度衰减符合指数规律,其衰减系数k随宽高比的增大而增大,随火源功率增大而降低,随通风速度增大而增大。首次提出了烟气回流比r与纵向限制风速u**之间的经验公式。并基于该指标,构建了考虑宽高比、纵向风速及火源功率耦合影响下的烟气温度衰减模型。该模型预测值与大尺度隧道火灾试验的实测值相比,最大误差不超过4K,具有较高的准确度。(4)隧道宽度的增大会强化回流段烟气与隧道顶棚的换热,减小烟气层厚度,并弱化烟气在侧壁的偏转效应和由径向转向一维扩散的转换强度,从而使得烟气回流长度随宽高比的增大而减小。通过改进宽高比修正系数,提出了一种动力学机制更为完备的临界风速和回流长度预测模型,模型的预测结果与试验数据吻合良好。新模型表明,在小火条件下,随着宽高比的增大,uc*将逐渐减小,最终趋近于无侧壁约束条件下的极限临界风速。Q*>0.34的火源,大小火的判别与宽高比无关,均为大火;Q*≤0.34的火源,大小火的判别需结合宽高比综合判断。