豎通道內(nèi)熱浮力旋轉(zhuǎn)流相關(guān)特性研究.pdf

1、火旋風(fēng)因其強(qiáng)大的卷吸力和浮升力,而比普通火災(zāi)具有更快的燃燒速度、更高的火焰溫度和更大的破壞力,隨著建筑空間的增大及開口形式的多樣化,火旋風(fēng)在建筑火災(zāi)尤其在建筑物的中庭及豎井型通道中出現(xiàn)的可能性也日漸增大,給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。近年來,建筑內(nèi)火旋風(fēng)巨大的破壞性得到了國內(nèi)外研究人員的重視,研究火旋風(fēng)的形成機(jī)制、運(yùn)動(dòng)形態(tài)以及由于火旋風(fēng)而形成的熱流場,是控制室內(nèi)火旋風(fēng)發(fā)生發(fā)展的一個(gè)主要內(nèi)容,對保障社會安定具有重要意義。
　　

2、進(jìn)行火災(zāi)熱流場相關(guān)研究的方法主要有實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬及理論分析三種,本文主要采用這三種方法對一有側(cè)開縫的豎通道內(nèi)浮力旋轉(zhuǎn)火焰及熱流場的相關(guān)特性進(jìn)行深入研究,具體工作內(nèi)容如下:
　　首先,歸納了熱浮力旋轉(zhuǎn)流場的數(shù)學(xué)模型,給出了適用于火災(zāi)場的多組分、低馬赫數(shù)、有粘性、熱驅(qū)動(dòng)浮力流的數(shù)學(xué)模型,包括控制方程組,混合分?jǐn)?shù)燃燒模型和有限容積(FVM)輻射模型;介紹了大渦模擬(LES)的主要思想并對模型方程組進(jìn)行了濾波;在動(dòng)量方程的基礎(chǔ)上研究了

3、渦量方程、渦量場的動(dòng)力學(xué)特性、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中流體的運(yùn)動(dòng)方程以及火災(zāi)場中的渦量方程。
　　其次,搭建了一個(gè)有側(cè)開縫的方形豎通道,進(jìn)行熱浮力旋轉(zhuǎn)流的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)無量綱側(cè)開縫寬度在某一臨界范圍內(nèi)時(shí),火焰的旋轉(zhuǎn)最為劇烈、火焰高度最高、燃料燃燒速度最快;隨后在臨界無量綱側(cè)開縫寬度條件下,進(jìn)行了三種不同直徑及燃料用量的火旋風(fēng)實(shí)驗(yàn),分別對旋轉(zhuǎn)火焰縱向和徑向溫度分布、燃料的燃燒速率、熱釋放速率及火焰高度等特性進(jìn)行了詳細(xì)研究,并對文獻(xiàn)中提出的普通汽油

4、池火燃料失重速率及火焰高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)式中的部分參數(shù)在本文研究的旋轉(zhuǎn)火焰條件下進(jìn)行了修正。
　　第三,應(yīng)用火災(zāi)場模擬軟件FDS并采用LES方法對豎通道內(nèi)熱浮力旋轉(zhuǎn)流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬計(jì)算,得到了三種不同尺寸及熱釋放速率火源形成的浮力旋轉(zhuǎn)流物理場的分布規(guī)律、火焰中軸線縱向溫度分布、火焰不同高度徑向溫度分布及火焰的高度,利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對所選模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證;進(jìn)而對浮力旋轉(zhuǎn)火焰的周向速度及軸向速度分布進(jìn)行預(yù)測,并對三種情況下旋轉(zhuǎn)火焰的最大軸

5、向速度與周向速度比值的變化情況進(jìn)行了研究。
　　第四,在詳細(xì)地總結(jié)和分析幾種典型的渦旋流動(dòng)精確解形式及特性的基礎(chǔ)上,針對這些精確解普遍存在的問題,并依據(jù)本文實(shí)驗(yàn)所觀察到的現(xiàn)象,重新構(gòu)造了旋轉(zhuǎn)渦量的形式。通過引入半經(jīng)驗(yàn)系數(shù),給出了旋轉(zhuǎn)渦量沿火焰徑向和周向旋轉(zhuǎn)速度沿火焰縱向及徑向衰減規(guī)律的級數(shù)近似解的表達(dá)式。再根據(jù)本文的數(shù)值模擬結(jié)果,確定了半經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值,進(jìn)而得出了基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的熱浮力旋轉(zhuǎn)流旋轉(zhuǎn)渦量和周向旋轉(zhuǎn)速度的級數(shù)近似