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浮力反应羽流三维直接数值模拟

袁步平  
【摘要】:浮力反应羽流是火灾中最基本的现象,对其近场动力学进行基础研究是理解火灾现象非常重要的环节。本文利用不依赖于燃烧和流动模型而直接求解流体控制方程的直接数值模拟(DNS)方法,对低雷诺数下的三维空间浮力反应羽流进行模拟研究,得到了详细的羽流近场动力学信息。主要工作包括以下几个方面: 针对三维燃烧问题进行直接数值模拟的巨大计算量,分析确定了本文研究的数学物理方法及初始边界条件,并利用动力学的相似原理对流场进行无量纲化,从而为下文对浮力反应羽流的直接数值计算提供理论基础。 热辐射在火灾现象中起着不可忽视的作用,但前人对其的研究却很少。通过对三维反应羽流的直接数值模拟,从涡旋结构、温度、速度、湍流程度、卷吸等方面对三种不同辐射分数(辐射0%、辐射10%、辐射35%)条件下的浮力反应羽流近场信息进行了详细对比,定量分析了辐射对反应羽流的影响程度。 鉴于高原环境火灾是当前火灾学关注的热点问题,本文利用直接数值模拟的优势,通过改变外部环境条件实现了对不同海拔条件下的浮力反应羽流进行模拟计算。研究了海拔高度分别为2000米和4000米高原环境下浮力反应羽流在无量纲温度场、涡量场、湍流脉动等羽流特性方面的变化。得出了不同海拔高度对反应羽流近场信息的影响,总结了高原地区浮力反应羽流的结构特征。结果表明,高原低压低氧环境对羽流反应速率及涡旋脉动周期都有一定程度的影响。这为高原环境的火灾实验研究提供了有益的参考。 针对平原地区辐射分数对浮力反应羽流结构的影响,研究了不同辐射分数对高原地区低压低氧环境下浮力反应羽流的作用。对比分析了辐射在不同海拔条件下对浮力反应羽流近场信息变化的影响程度。 感谢国家自然科学基金项目(50876097)对本研究的支持。


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