火灾羽流直接数值模拟

【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。