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

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。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．2国内外研究现状

1．2．1火旋风实验研究现状

1．2．2火旋风数值模拟现状

1．2．3适用于火灾场景的亚格子模型研究现状

1．2．4多池火旋风研究现状

1．3研究内容与研究方法

第2章热浮力驱动流数学模型

2．1热浮力流模型方程

2．1．1守恒方程组

2．1．2方程组的简化

2．2燃烧模型

2．3辐射模型

2．4大涡模拟

2．4．1大涡模拟概述及滤波

2．4．2典型亚格子模型

2．5本章小结

第3章火旋风模拟的网格研究及经验系数确定

3．1网格无关性检查

3．2网格划分方式对模拟的影响

3．3经验系数对模拟的影响

3．4其它亚格子模型中网格尺寸及经验系数的选取

3．5本章小结

第4章典型亚格子模型对单池火旋风适用性分析

4．1动态模型及I矾G模型适用性分析

4．2 Deardorff模型适用性分析

4．3 Vreman模型适用性分析

4．4各亚格子模型适用性综合比较及McCaffrey公式修正

4．4．1各亚格子模型对火旋风模拟适用性的综合比较

4．4．2小尺度火旋风下McCaffrey公式修正

4．5本章小结

第5章典型亚格子模型对多池火旋风适用性分析

5．1实验介绍

5．2基于Smagorinsky模型的流场分析

5．3各亚格子模型适用性分析

5．3．1动态模型及RNG模型适用性分析

5．3．2 Deardorff模型适用性分析

5．3．3 Vreman模型适用性分析

5．4多池火旋风下的McCaffrey公式修正

5．5本章小结

结论及展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢