随着我国汽车保有量的不断增加,隧道的交通流量也越来越大,为了缓解交通压力,近年来我国建成了大量公路隧道。隧道火灾虽然是一种小概率事件,但其一旦得不到有效控制的话,将给我们带来灾难性的损失。统计结果表明,高温和不完全燃烧所产生的有毒有害烟气是隧道火灾中导致人员死亡的最主要因素,因此,研究隧道火灾的烟气控制具有重要意义。为了控制火灾烟气蔓延和保护火源下游人员安全,目前我国有很多隧道采用了纵向通风+顶部排烟的组合通风排烟系统。由于该排烟模式是火源热烟羽在纵横两个方向组合扰量作用下的复杂受限扩散过程,与单一的纵向通风或横向排烟存在较大差异。在设计此类组合通风排烟系统时,回流烟气长度是一个十分重要的参考指标,根据设定火灾的回流烟气长度,可以得到安全经济的设计参数。目前国内外对顶部排烟和纵向通风协同作用下的回流烟气长度的研究较为缺乏,因此本文旨在通过量化该类系统中回流烟气的蔓延过程,分析其烟气蔓延规律,从而提出能够帮助实际工程设计的参数确定方法。本文的主要工作如下:通过对回流烟气蔓延过程的分析,推导出了回流烟气长度预测模型。首先,通过对于单一纵向通风这一较为基础的情况下,烟气的蔓延过程的分析,结合能量守恒和质量守恒等基础物理规律,建立了回流烟气长度预测模型;其次,在单一纵向通风的回流烟气长度预测模型的基础上,分别对顶部排烟和纵向通风协同作用下的排烟口分别位于火源上游、正上方以及下游等情况下的回流烟气长度进行了量化,建立了相应的预测模型;最后,通过对建立的所有模型进行对比分析,整合出了统一的回流烟气预测模型。基于缩尺隧道模型试验结果,提出了纵向风作用下烟气的分布规律。首先,基于缩尺(相似比为1/3)隧道模型试验平台的搭建过程,分析了火源系统、温度测量系统、风速测量系统的测量方法,并通过试验数据的整理,计算了各个参量的不确定度。其次,通过缩尺隧道模型试验,对纵向风作用下的烟气质量流率分布规律进行了探究,该参数对回流烟气长度预测结果十分重要,通过对试验数据的整理,提出了在纵向风作用下隧道中烟气质量流率的分布规律:当纵向风速较小时,上下游的烟气质量流率相等;随着纵向风速的增加,向上游蔓延的烟气质量流率占比会逐渐减小;直至纵向风速达到临界风速时,上游烟气质量流率减为零。另一方面,通过缩尺试验,还得到可以用于后续的模型验证提的回流烟气长度数据。基于试验和文献中相关数据,对预测模型进行了对比验证。首先,通过代入缩尺模型试验所得比例系数同无量纲纵向风速(1~*的关系,得到了最后的回流烟气长度预测模型。其次,通过单一纵向通风以及顶部排烟与纵向通风协同作用下(包括不同排烟口位置)等情况下进行计算所得结果与可得到的试验数据以及其它理论模型预测模型进行对比,验证了本文所建立模型的有效性。基于预测模型计算结果,讨论了回流烟气蔓延规律。首先,通过对将缩尺试验所得的比例系数同无量纲纵向风速(1~*的关系带入预测模型前后计算结果的对比,发现代入缩尺试验所得关系式后模型预测结果更加接近试验数值;其次,基于对不同纵向风速作用下的回流烟气长度计算结果的对比,发现纵向风速对于不同情况下回流烟气的影响程度不一样,但是均有增大纵向风速可以减小回流烟气长度。再次,基于对不同排烟风速作用下的回流烟气长度计算结果的对比,发现:对于排烟口位于火源上游和正上方的情况,增加排烟风速可以减小回流烟气长度;但是对于排烟口位于火源下游的情况,则取决于烟气撞击顶棚位置和排烟口之间的关系,若排烟口位于撞击点位于上游,则增大排烟风速不会改变回流烟气长度。此外,基于不同排烟口距火源距离下回流烟气长度的计算结果,发现:当排烟口位于火源上游时,如果减小排烟口距火源之间的距离同样可以减小回流烟气长度,且其对于回流烟气长度的影响程度较排烟风速更为显著;而若排烟口位于火源下游,排烟口距离火源较远时,将不会对回流烟气长度产生影响。最后,基于此前分析所得回流烟气蔓延规律,提出了该类排烟系统相应参数的设计原则,并以某城市水下公路隧道的排烟系统为实例,计算确定了相应的设计工况下的排烟口间距等参数。