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火灾羽流直接数值模拟

作　者: 邹丽
导　师: 邱榕
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 火灾轴对称羽流平面羽流直接数值模拟无量纲参数涡量涡旋 Fourier变换
分类号: X932
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

火灾是一种失去控制的灾害性燃烧现象。火灾的发生会造成严重的人员伤亡及财产损失,对人类社会的危害性极大。因此人们需要探索和认识火灾现象及其过程的机理和规律。在火灾研究中,火灾羽流研究具有非常重要的意义,研究手段包含有实验和计算机模拟两种手段。计算机数值模拟以数学物理模型为基础,具有参数设置灵活、可重复性强、节约实验成本等优点,因而受到科研工作者的青睐。因为DNS(直接数值模拟)能够捕捉到最为精细的时间和空间尺度,精确度高,所以本文采用DNS数值模拟方法对火灾羽流进行模拟研究,主要包含两部分内容:涉及热浮力的羽流、涉及化学反应的羽流直接数值模拟。第四章模拟研究了涉及热浮力的羽流,对目前国内外研究较多的平面羽流和轴对称羽流进行了比较分析。模拟发现,轴对称羽流的平均径向速度小于平面羽流,且轴对称羽流的涡旋变化频率高于平面羽流,涡量值明显低于平面羽流。从涡量输运方程出发对此分析后发现,主要是由于轴对称羽流的拉伸项为负值,使得羽流涡旋减小,混合强度减弱。第五章对涉及化学反应的轴对称羽流进行模拟研究,分析了无量纲参数Qh、Re、Fr、Da、Ze数的改变对羽流的影响。燃烧模型采用有限速率反应模型求解。首先分析了化学反应放热对羽流涡旋结构的影响。分析发现,对于无浮力无化学反应放热的算例,流场中出现涡旋结构,这主要是由于Kelvin -Helmholtz不稳定造成的。从涡量输运方程角度分析,主要是拉伸项产生了流场的涡旋结构。而对于存在化学反应放热的无浮力算例,流场近似层流结构,说明化学反应放热破坏了无浮力羽流的涡旋结构,而这主要是通过涡量输运方程的体膨胀项实现的。当考虑浮力作用时,流场主要受Archimedes力的作用而产生涡旋结构。考虑Froude数的改变对羽流的影响。分析发现,随着Fr数的增大,涡量减小,羽流卷吸空气的能力减弱,涡旋变化频率降低,火焰面增长并逐渐偏离对称轴,而且由于浮力减弱,羽流轴向速度呈下降趋势。从涡量输运方程角度分析,当重力加速度g增大后,Fr数降低,涡量输运方程的重力项显著增加,导致羽流的涡量增大,卷吸强度增强。降低Froude/Reynolds数后,羽流的涡量值降低,涡旋尺度减小,卷吸冷空气的强度减弱。由于火焰面逐渐靠近对称轴,因此对称轴附近的羽流温度和轴向速度、热释放速率较大。由于羽流是由流动控制,化学反应参数的微小变化不足以影响羽流的宏观燃烧,因此改变Da、Ze数后羽流的涡旋结构变化不大。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
主要符号对照表  8-9
目录  9-11
第一章绪论  11-21
  1.1 研究背景  11-18
    1.1.1 火灾危害性  11
    1.1.2 数值模拟方法简介  11-16
    1.1.3 火羽流研究现状  16-18
  1.2 本文的研究内容  18
  1.3 论文的章节安排  18-21
第二章直接数值模拟  21-24
  2.1 高精度直接数值模拟  21
  2.2 简介FDS  21-22
  2.3 燃烧模型  22
  2.4 FDS 的求解策略  22-24
第三章涡旋动力学及稳定性分析  24-29
  3.1 涡旋动力学  24-25
    3.1.1 涡旋动力学简介  24
    3.1.2 涡量及输运方程表达式  24-25
    3.1.3 方程求解格式  25
  3.2 涡旋稳定性分析  25-26
  3.3 无量纲化  26-29
    3.3.1 参数的无量纲化及其意义  26-27
    3.3.2 重要无量纲参数的意义  27
    3.3.3 本文参数的无量纲化  27-29
第四章涉及热浮力的羽流直接数值模拟  29-38
  4.1 物理模型  29-30
  4.2 计算区域及网格独立性分析  30-31
    4.2.1 计算区域设定分析  30-31
    4.2.2 网格独立性分析  31
  4.3 涉及热浮力的羽流直接数值模拟  31-37
  4.4 小结  37-38
第五章涉及化学反应的羽流直接数值模拟  38-76
  5.1 物理模型  38
  5.2 计算区域及网格独立性分析  38-40
    5.2.1 计算区域设定分析  38-39
    5.2.2 网格独立性分析  39-40
  5.3 涉及化学反应的羽流直接数值模拟  40-73
    5.3.1 燃烧热对轴对称羽流涡旋的影响  41-48
    5.3.2 不同Fr 数对轴对称羽流涡旋结构的影响及分析  48-58
    5.3.3 不同Froude/Reynolds 数对轴对称羽流涡旋结构的影响  58-68
    5.3.4 化学反应参数对涡旋结构的影响  68-73
  5.4 小结  73-76
第六章结论与展望  76-78
  6.1 全文总结  76-77
  6.2 本文创新之处  77
  6.3 下一步工作展望  77-78
参考文献  78-82
攻读硕士期间发表文章  82-83
致谢  83

火灾羽流直接数值模拟

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