竖形槽道内火旋风的实验研究与数值模拟

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。

论文目录

• 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