渦耗散概念燃燒模型耦合簡化機理的多維數(shù)值模擬.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)與建筑材料的發(fā)展，燃料種類越來越復(fù)雜。燃燒系統(tǒng)中各個組分之間除了會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，還存在一定的物理作用，如粘性、導(dǎo)熱、組分間相互擴散等等。火災(zāi)的燃燒問題其實就是多組分的化學(xué)反應(yīng)與湍流流動問題。伴隨科技的進步，計算機數(shù)值方法成為火災(zāi)科學(xué)研究的重要手段之一。為了真實地描述燃燒中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，預(yù)測多元的產(chǎn)物組分濃度，計算機數(shù)值模擬中應(yīng)用化學(xué)動力學(xué)機理是十分必要的。然而由于詳細化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理規(guī)模太大，會帶來巨大的數(shù)值剛性問題

2、，模擬流動與燃燒化學(xué)問題是十分困難的。這極大的限制了CFD方法在復(fù)雜化學(xué)研究中的應(yīng)用。而簡化的化學(xué)動力學(xué)機理在保留詳細機理某些重要性質(zhì)的同時，簡化了反應(yīng)步驟，又降低了計算量。簡化機理為工程領(lǐng)域中的燃燒數(shù)值模擬提供了極大的貢獻和潛在的發(fā)展空間，是現(xiàn)代化學(xué)動力學(xué)的一個重要分支。
　　美國國家標準技術(shù)研究所(NIST)近期發(fā)布的FDS6.0軟件采用能夠耦合復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的渦耗散概念(EDC)燃燒模型。從理論上講，新模型能夠計算更為復(fù)雜的化

3、學(xué)反應(yīng)和組分。然而NIST的化學(xué)動力學(xué)數(shù)據(jù)庫容量有限，且主要針對的是獨立的基元反應(yīng)和單一組分的化學(xué)性質(zhì)，而國際上從低碳到高碳的化學(xué)動力學(xué)機理均為CHEMKIN格式，也就是說，實際上FDS還無法直接應(yīng)用這些成果。
　　本文修改源代碼，將簡化機理嵌入渦耗散概念燃燒(EDC)模型，實現(xiàn)基于化學(xué)動力學(xué)機理的湍流燃燒數(shù)值方法。該方法將FDS與CHEMKIN這兩個通用軟件的功能相結(jié)合，利用CHEMKIN的數(shù)據(jù)庫拓展FDS的應(yīng)用范圍，提高軟件的

4、通用性。與快速化學(xué)方法相比，簡化機理擁有更加豐富的燃料燃燒數(shù)據(jù)，能夠更真實的呈現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)過程，捕集到快速化學(xué)反應(yīng)無法預(yù)測的產(chǎn)物組分。該模擬方法可為消防工程中材料燃燒的煙氣危害性分析提供數(shù)據(jù)支持。
　　首先，為了驗證耦合簡化機理的湍流燃燒多維數(shù)值模擬方法的有效性，本文將甲烷燃燒的簡化機理與FDS進行對接，模擬0.3 m直徑的甲烷湍流擴散火焰，對比結(jié)果說明該模擬方法具有可靠性。其次，本文將新建模擬平臺應(yīng)用于全尺寸的火災(zāi)案例，模擬材料不