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大涡模拟及亚格子层流小火焰燃烧模型在火灾模拟中的应用研究

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目录

文摘

英文文摘

主要符号对照表

第一章绪论

§1.1本课题的研究背景

§1.2本课题的主要研究内容

§1.3研究现状与文献综述

§1.3.1湍流的模拟

§1.3.2燃烧的模拟

§1.3.3回燃现象的模拟

§1.4论文章节概要

第二章湍流流动方程及亚格子湍流模式

§2.1湍流流动的大涡模拟

§2.1.1气相反应流控制方程组

§2.1.2湍流大涡模拟的基本方程

§2.1.3格子尺度(SGS)模式

§2.2火灾条件下控制方程组的处理

§2.2.1低马赫数条件下控制方程组的简化

§2.2.2对动量方程的进一步处理

§2.3本章小结

第三章亚格子尺度湍流燃烧的层流小火焰模型

§3.1层流扩散火焰面结构

§3.1.1混合分数坐标

§3.1.2扩散火焰的火焰面结构

§3.2湍流燃烧的亚格子尺度层流小火焰模型

§3.2.1 SGS层流小火焰模型

§3.2.2混合分数控制方程

§3.2.3混合分数亚格子尺度方差控制方程

§3.2.4标量耗散率的模化

§3.2.5层流小火焰库的生成

§3.3本章小结

第四章部分预混燃烧模型

§4.1预混火焰前锋的传播

§4.2湍流火焰传播速度

§4.3部分预混燃烧系统中标量的计算

§4.4本章小结

第五章离散方法和数值格式

§5.1简化的求解方程

§5.2时间离散

§5.3空间离散

§5.4本章小结

第六章基于大涡模拟的场区复合数值模型及其应用

§6.1区域模拟基本方程

§6.2体积守恒的压力校正方法

§6.3场区复合模型模拟结果与分析

§6.4本章小结

附图

第七章亚格子尺度层流小火焰模型的应用

§7.1对Steckler室内火灾实验的模拟

§7.1.1室内火灾实验模拟参数

§7.1.2模拟结果及讨论

§7.2对回燃过程的数值模拟

§7.2.1回燃实验模拟参数

§7.2.2腔体几何结构及网格划分

§7.2.3初始条件和边界条件

§7.2.4模拟结果及讨论

§7.3本章小结

第八章论文总结和下一步工作展望

§8.1本文总结

§8.2下一步工作展望

参考文献

附录A相关数学公式和证明

致谢

攻读学位期间的主要研究工作和论文发表情况

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摘要

基于雷诺时均方程的RANS方法已在工程流动以及火灾过程模拟中发挥了很大作用,但是由于RANS方法所采取的平均操作抹平了湍流脉动运动的细节,丢失了包含在湍流脉动运动中的全部信息,尤其是对于湍流运动中的一些大尺度涡结构.湍流流动中的大部分质量、动量和能量的输运主要来自大尺度涡运动,如火灾过程中大尺度涡结构在热羽流中就具有明显作用.大涡模拟(LES)方法通过对大尺度涡进行直接计算,而对小尺度涡进行亚格子尺度模拟.一方面降低了对模型的依赖性,另一方面可以给出流场中瞬时的大尺度涡结构.近年来随着计算机技术和数值算法的发展,大涡模拟技术在火灾过程的计算机模拟中受到越来越多的重视.本文主要进行了以下研究:1.本研究首次开发了基于大涡模拟的建筑火灾场区复合模型.为了准确地预测着火房间的物理量分布,采用大涡模拟的方法对其进行模拟,采用体积守恒压力校正的区域模拟方法模拟与着火房间相连的各房间的烟气蔓延情况;结果表明该复合模型很好模拟出了建筑火灾中烟气的运动规律,对火灾过程的工程评估计算具有一定应用价值.2.湍流燃烧中小尺度结构的行为极大程度上影响了湍流混合和化学反应地进行.因此在湍流燃烧的大涡模拟中,需要精确地对亚格子尺度反应过程进行模化.本研究开发了基于亚格子尺度层流小火焰模型的火灾过程数值模拟程序.推导并求解湍流亚格子尺度层流小火焰燃烧模型中相关的控制方程及其过滤方程,进行了不同组分燃料在不同拉伸率下的层流对撞射流(Counter-Flow)扩散火焰的计算,编制计算程序对层流扩散火焰的计算结果进行处理,以标量耗散率为参变量建立化学热力学状态参量与混合分数之间的数据库.采用所开发模型对Steckler单室火灾实验进行了模拟,并与实验数据进行了比较.3.针对回燃现象的复杂过程,本研究首次采用基于反应进度变量和亚格子尺度小火焰模型的燃烧模型对回燃实验进行了模拟研究.对回燃实验中点火前的重力流过程、点火后的火焰传播和腔体外的可燃混合气被点燃而产生火球的整个过程进行了详细的数值模拟.并分析比较了两种不同的回燃实验条件下重力流过程和火焰传播的不同特点.

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