随着我国交通事业的快速发展,各种结构形式的交通隧道工程不断涌现,由此也带来更多的隧道火灾风险。由于隧道火灾极易造成隧道结构破坏和人员伤亡等灾难性后果,因此,隧道火灾防治和通风排烟十分关键,其核心是掌握隧道火灾顶棚射流的特性。目前的相关研究主要是针对等截面隧道或简化为等截面隧道进行。而在实际工程实践中往往存在截面形状或尺寸发生变化的情况,从而直接影响到火灾的烟气流动特性和消防救援设计。因此,研究突变截面隧道内的烟气顶棚射流特性具有重要的理论意义和工程应用价值。本文采用理论分析和数值模拟方法研究了隧道突变截面对火灾烟气顶棚射流的影响。主要研究内容包括:(1)隧道突变截面对火灾烟气蔓延过程的影响;(2)隧道突变截面处火灾烟气温度特性及顶棚射流下最高温度的纵向衰减规律;(3)隧道突变截面对火灾烟气逆流与临界风速的影响。研究结果表明:隧道突变截面离火源的距离及突扩比显著地影响火灾烟气蔓延。火源位于突变截面处时,烟气向低顶棚区域蔓延的速度小于向高顶棚区域蔓延的,突扩比增加,烟气向高顶棚侧出口扩散的速度增大,而向低顶棚区域出口扩散的速度则减小;火源位于隧道低顶棚内,烟气由低顶棚蔓延至高顶棚区域时形成突扩流动,且烟气流速有所增加,其增幅随火源与突变截面距离的增加而减小;火源位于隧道高顶棚内,烟气在由高顶棚向低顶棚纵向蔓延时形成突缩流动,且烟气流速会降低,其降幅随火源与突变截面间距离的增加而减小。隧道突变截面离火源的距离及突扩比会影响烟气温度的纵向分布。火源位于突变截面处,与火源距离相同的位置高顶棚区域的温度大于低顶棚的,突扩比增加,低顶棚区域的温度变化不明显,而高顶棚区域的温度则明显降低;火源位于低顶棚或高顶棚区域,烟气流经突变截面后的温度都会出现明显跌落,其跌幅均随火源离突变截面距离的增加而减小。同时,给出了最高温度的纵向衰减关系式。隧道突变截面直接影响火灾烟气逆流及临界风速。火源位于低顶棚区域内与位于高顶棚区域内的烟气逆流情况及临界风速值均有所不同,火源位于低顶棚区域的临界风速小于火源位于高顶棚区域的临界风速。而火源位于突变截面处时,只需在低顶棚一侧的纵向风速达到临界风速值,烟气就不再发生逆流。本文研究工作得到国家重点研发计划课题(2016YFC0802206)和深圳市坂银通道工程等项目的资助。研究成果丰富了隧道火灾的研究工作,具有一定的科学意义。同时,也为变截面隧道的消防安全设计和应急救援提供了指导,具有较好的工程应用价值。