火災(zāi)羽流直接數(shù)值模擬.pdf

1、火災(zāi)是一種失去控制的災(zāi)害性燃燒現(xiàn)象?；馂?zāi)的發(fā)生會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)人類社會(huì)的危害性極大。因此人們需要探索和認(rèn)識(shí)火災(zāi)現(xiàn)象及其過程的機(jī)理和規(guī)律。在火災(zāi)研究中，火災(zāi)羽流研究具有非常重要的意義，研究手段包含有實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬兩種手段。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬以數(shù)學(xué)物理模型為基礎(chǔ)，具有參數(shù)設(shè)置靈活、可重復(fù)性強(qiáng)、節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本等優(yōu)點(diǎn)，因而受到科研工作者的青睞。因?yàn)镈NS(直接數(shù)值模擬)能夠捕捉到最為精細(xì)的時(shí)間和空間尺度，精確度高，所以本文采用DN

2、S數(shù)值模擬方法對(duì)火災(zāi)羽流進(jìn)行模擬研究，主要包含兩部分內(nèi)容：涉及熱浮力的羽流、涉及化學(xué)反應(yīng)的羽流直接數(shù)值模擬。
　　 首先研究了涉及熱浮力的羽流，對(duì)目前國內(nèi)外研究較多的平面羽流和軸對(duì)稱羽流進(jìn)行了比較分析。模擬發(fā)現(xiàn)，軸對(duì)稱羽流的平均徑向速度小于平面羽流，且軸對(duì)稱羽流的脈動(dòng)頻率高于平面羽流，渦量值明顯低于平面羽流。從渦量輸運(yùn)方程出發(fā)對(duì)此分析后發(fā)現(xiàn)，主要是由于軸對(duì)稱羽流的拉伸項(xiàng)為負(fù)值，使得羽流渦旋減小，混合強(qiáng)度減弱。
　　 隨后

3、對(duì)涉及化學(xué)反應(yīng)的軸對(duì)稱羽流進(jìn)行模擬研究，分析了無量綱參數(shù)Qh、Re、Fr、Da、Ze數(shù)的改變對(duì)羽流的影響。燃燒模型采用有限速率反應(yīng)模型求解。首先分析了化學(xué)反應(yīng)放熱對(duì)羽流渦旋結(jié)構(gòu)的影響。分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于無浮力無化學(xué)反應(yīng)放熱的算例，流場(chǎng)中出現(xiàn)渦旋結(jié)構(gòu)，這主要是由于Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定造成的。從渦量輸運(yùn)方程角度分析，主要是拉伸項(xiàng)產(chǎn)生了流場(chǎng)的渦旋結(jié)構(gòu)。而對(duì)于存在化學(xué)反應(yīng)放熱的無浮力算例，流場(chǎng)不存在渦旋結(jié)構(gòu)，說明化學(xué)反應(yīng)放熱破壞了

4、無浮力羽流的渦旋結(jié)構(gòu)，而這主要是通過渦量輸運(yùn)方程的體膨脹項(xiàng)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)考慮浮力作用時(shí)，由于靜脈曲張型的不穩(wěn)定性(varicose instability)而在流場(chǎng)中產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)。這種不穩(wěn)定性可以用Archimedes力解釋。分析Froude數(shù)的改變對(duì)羽流的影響：隨著Fr數(shù)的增大，渦量減小，羽流卷吸空氣的能力減弱，脈動(dòng)頻率降低，火焰面增長并逐漸偏離對(duì)稱軸，而且由于浮力減弱，羽流軸向速度呈下降趨勢(shì)。從渦量輸運(yùn)方程角度分析，根據(jù)改變Froude