论文摘要
火旋风是一种特殊的火灾现象,在森林火灾中经常发生。火旋风大多是由火羽流与周围环境相互作用产生的。浮力驱动的火羽流随着热气流的上升从附近的流体中排出,剪切风速形成的涡流在火源的作用下聚集,沿着火羽流的轴线生成涡核,最终形成火旋风。火旋风现象中产生的旋转运动能增加火羽流的高度和燃料的燃烧速率,因此,火灾中一旦出现火旋风将会造成巨大的人员伤亡和重大的经济损失。本文对火旋风进行了实验研究和数值模拟。实验采用一个在边角处开有单个缝隙的四棱柱体来模拟火旋风的发生。实验结果表明,火旋风能够增加燃烧速率,提高燃烧温度;不同面积和形状的油池以及单个缝隙的开口宽度都对旋风火焰的结构有很大的影响。在数值模拟中,首先分析了单个缝隙与对称缝隙分别形成火旋风现象的情况,然后模拟了不同的缝隙开口宽度和热释放速率对火旋风热流场的影响。模拟结果表明,对称缝隙更加容易形成火旋风;对称缝隙的开口宽度和燃烧速率对火旋风现象的影响也遵循一定的规律。另外,为了从理论上解释浮力旋风火焰的速度场,将所有情况下的模拟结果与涡模型的理论分析解进行了对比分析。对比结果表明,当形成的火旋风越稳定时,模拟结果与理论分析解符合得越好。本文的研究结果不仅可以为火旋风的实验研究提供依据和指导,还可以为涡理论的发展提供一些参考。
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摘要ABSTRACT第1章 绪论1.1 研究的背景及意义1.1.1 概述1.1.2 研究的目的及意义1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状1.2.2 国内研究现状1.3 研究方法的选择1.4 本文研究的主要内容第2章 数学物理模型与数值方法2.1 低马赫数浮力流模型方程2.1.1 基本控制方程组2.1.2 方程组的简化2.2 燃烧模型2.2.1 混合分数燃烧模型2.2.2 混合分数燃烧模型的修正2.3 辐射模型2.4 大涡模拟2.5 数值方法2.6 本章小结第3章 涡运动理论3.1 研究涡运动的意义3.1.1 涡量方程3.1.2 旋涡影响机制3.2 定常涡模型3.2.1 伯格斯(Burgers)涡3.2.2 苏利文(Sullivan)涡3.3 本章小结第4章 火旋风的实验研究4.1 实验与材料4.1.1 实验装置4.1.2 测点布置4.2 结果与讨论4.2.1 旋风与自由燃烧时间分析比较4.2.2 油池直径和形状的影响4.2.3 缝隙开口宽度的影响4.3 本章小结第5章 火旋风数值模拟的几何装置5.1 几何装置的构造5.1.1 几何外形5.1.2 边界条件5.2 网格分析5.3 两种几何装置形成火旋风的对比5.4 敞口空间形成的火旋风5.5 本章小结第6章 火旋风的数值模拟与理论分析6.1 不同边界条件对火旋风的影响6.1.1 不同缝隙宽度6.1.2 不同热释放速率大小6.1.3 不同燃烧速率增长曲线6.2 模拟结果与涡模型理论分析解的对比6.2.1 周向速度分布6.2.2 轴向速度分布6.3 本章小结结论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
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