随着我国城市化进程的不断加快和交通行业的迅速发展,各类隧道不断涌现出来。隧道的发展给人们的生活带来便利的同时,也为其消防安全带来了巨大的挑战。尽管隧道火灾是小概率事件,但一旦发生隧道火灾,火灾扑救和烟气控制将十分困难,容易造成不可估量且无法挽回的经济损失和人员伤亡。相关统计结果显示,由于不完全燃烧所产生的有毒有害烟气是导致隧道火灾人员伤亡的主要原因。纵向通风是目前最常用的隧道火灾烟气控制方式。因此,纵向通风作用下的烟气输运规律研究对隧道通风系统的设计及控制、火灾救援和疏散策略的制定都具有非常重要的意义。本论文针对目前研究中存在的问题和不足,以纵向通风对隧道火灾烟气输运规律的影响为主线,从不同的隧道结构特征出发,开展了以下几个方面的研究:开展小尺寸实验和数值模拟,研究了纵向通风对倾斜隧道烟气流动方向的影响,即倾斜隧道烟气流向突变现象(Re-d现象)。Re-d现象是指倾斜隧道内发生火灾时,由于热压或外界风压发生变化,或者由于风机启停等原因造成的烟气流向突然发生变化的现象。该现象的发生,会给火灾救援及人员的安全疏散带来危险。基于一维管网模型,通过理论分析得到了倾斜隧道内平均纵向风速的预测模型,提出并分析了火源下游平均烟气温度的两种计算方法。结果表明,基于传统一维模型的计算方法对风速大小较为敏感,风速较小时,预测结果容易出现偏差。改进后的方法可以较好地预测烟气的流动方向。当风速较大时,气体流动呈现出较好的一维特性,两种计算方法的预测结果类似,都是可行的。论文基于理论模型的预测结果,对影响Re-d现象的重要因素进行了系统分析,给出了如何利用外界正压预防Re-d现象发生的相关建议。影响Re-d现象的因素主要包括:外界正压、火源热释放速率、隧道坡度、隧道长度、隧道断面积和火源位置。开展小尺寸实验研究了纵向通风及竖井设置对竖井内烟气的质量流率以及隧道内温度分层的影响。考虑竖井下部烟气层厚度、烟气层下部的压力状况以及竖井入口处的局部阻力损失,建立了不同通风条件下竖井内烟气质量流率的理论模型,探讨了竖井入口处的局部阻力系数的取值。研究发现,竖井入口处的局部阻力损失系数不是一个定值,其平均值大约为1.0。在实际工程中的,矩形竖井的工程估算和设计可参考该平均值。随着竖井数量、高度以及面积的增加,竖井内烟气的质量流率明显增加。竖井内的总质量流率随纵向风速的增大而增大,增加幅度有限,但增加较为线性。此外,竖井的存在有利于维持隧道内,尤其是竖井下游区域的烟气层稳定性,并增加烟气层高度。通过理论分析和数值模拟研究了较长隧道内有无纵向通风两种火灾场景下的隧道火灾烟气分层和纵向沉降现象。没有纵向通风时,基于不同假设,通过理论分析建立了两个纵向烟气层深度的预测模型。充分考虑纵向通风的影响时,修正了模型中火羽流卷吸量、最高温升、衰减系数等一系列关键参数。开展了一系列FDS数值模拟,详细讨论和分析了不同纵向风速下火源下游的烟气分层形态,验证了本文提出的理论预测模型,确定了不同通风条件下合适的卷吸系数。研究结果表明,烟气层温度的纵向衰减、烟气层交界面处的空气卷吸以及烟气层下部空间的压力状况是造成和影响烟气层沉降的主要因素。隧道内的温度分布和烟灰颗粒分布可能存在较为明显的不一致性,基于能见度分布得出的烟气层高度要更加保守。纵向通风作用时,根据不同纵向风速对火源下游烟气分层的影响大小,将其分为三个阶段或区域,即浮力主导区域,过渡区域,通风主导区域。此外,基于烟气的纵向沉降现象,本文还分析和探讨了烟气层沉降到人员高度时不同的纵向位置。开展小尺寸实验研究了较大断面隧道内强纵向通风诱导产生的烟气分岔现象,分析了烟气顶棚撞击区域、侧壁撞击区域和分岔流汇合区域出现的位置。研究表明,当隧道内的纵向通风速度超过一定数值时,烟气顶棚射流会出现分岔流动现象,并在隧道顶棚出现一个烟气层凹陷的低温区域。随着风速的增加,羽流顶棚撞击区域、侧壁撞击区域、分岔流汇合区域会不断向更下游的位置偏移,分岔现象会更加明显。最后,论文提出了顶棚最高温升点偏移距离和分岔低温区域长度的预测模型。