典型亚格子模型在小尺度火旋风大涡模拟中的适用性研究

发布时间：2020-06-04 17:12

【摘要】：火旋风作为一种破坏性极强的火灾现象,火焰高度高、燃烧速率快、波动范围广,具有与常规火灾完全不同的流场特征。过往关于火旋风的实验及模拟研究取得了丰硕的成果,但不同模型的选取对火旋风数值模拟结果造成的影响方面仍存在较大研究空间。本论文选取5种常用于火灾大涡模拟的亚格子模型,以火灾动力学模拟软件FDS4.0为平台针对该问题展开工作,主要包含以下方面:(1)对软件默认的Smagorinsky模型,以小尺度自然对流火旋风实验为依据,进行了不同网格尺寸、加密方式及模型中的经验系数等影响因素第模拟,得到了最佳第结果。研究发现,FDS中局部加密由于难于判断火焰转动形态而在火焰扫过区域边界时数据溢出因而不适用于火旋风模拟。此外,经验悉数中,Smagorinsky常系数的取值直接影响到粘性系数的计算方式而对结果影响最大。(2)通过修改源代码的方式,将其它几种亚格子模型编入程序,并分别就实验情况进行模拟。发现动态计算Smagorinsky系数及RNG的修正方法均能够提高计算的准确性。其中,动态模型采用时间与空间上动态计算粘性系数的方式,更贴近物理实际,但需要进行复杂的剪切、平均等处理且对网格要求极高,对于复杂流动来说消耗计算资源过大,RNG模型在湍流强度高的区域通过海维赛函数修正基于常系数模型求得的粘性系数,对火旋风问题而言结果可靠。对于不利于动态计算复杂流动问题来说,可通过寻找最佳Cs数使用Smagorinsky模型,或通过优化系数后的RNG模型进行计算以实现准确与效率的最大化。Deardorff模型利用速度场求解粘性系数的方式会导致摩擦被过分低估,而不能造成火焰的旋转;Vreman模型从机理上忽略了亚格子耗散而造成能量在小涡尺度上的过度积聚,两模型均不适用于火旋风模拟。(3)设计并完成小尺度多池火旋风实验,并以此为基准分别验证几种亚格子模型在存在火焰融合过程的火旋风中的适用情况,并初步分析了多池火旋风的流场特征。此外,对经典的McCaffrey火羽流经验公式进行修正,得出了适用于不同火源数量的小尺度火旋风的修正结果。
【图文】：

火旋风,单池,测点布置,实验装置

风具有特殊的燃烧特征而不同于常规火，因此有必要对三者间的耦合从而找出适用于火旋风的经验系数组合。此外，本章还介绍了网格特影响，并完成了网格无关性检查，即网格对模拟结果不再有显著影响格无关性检查 LES 的概念中，网格尺寸是计算准确性的重要因素。理论上讲，网格结果便越接近 DNS，但随之而带来的问题便是计算机的负荷将越为沉理的网格尺寸是高效展开研究工作前提条件。论文所对照的实验为霍岩等设计的小尺寸自然对流火旋风实验[66]，实置情况如图 3.1 所示。火旋风发生装置为具有双侧开缝的竖通道，顶置为厚度为 0.5cm 的胶合板，为方便实验记录，正前方设玻璃板。圆中心，直径为 10cm，高为 2cm。侧开缝相对油池呈中心对称，宽度为数据采集系统，配合直径为 0.5mm 的露端式 K 型热电偶进行温度测套管防止绝缘外皮受火焰直接作用而着火。温度测点列布置于通道中

切面,速度矢量,网格尺寸,流场

2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0050100150时耗h/网格尺寸 /cm图 3.2 不同网格尺寸下计算机运行时间成机理前已述及，其中三要素是至关重要的子模型模拟能够得到稳定的旋风火焰[44]。图 3.3 为火，可观察到外界空气由开缝处垂直引射流入流场，随，整个流场呈现出了较强的规律性。图 3.4 为流场横存在负压区，将会卷吸处于正压区的空气，区域的面直观地表达出切向力和生成涡的要素，可见 Smago确地反映，因此可将其作为基准而与后文中的几种典
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU998.1

【参考文献】