豎通道內熱浮力旋轉流相關特性研究.pdf

1、火旋風因其強大的卷吸力和浮升力,而比普通火災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,火旋風在建筑火災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,給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來嚴重威脅。近年來,建筑內火旋風巨大的破壞性得到了國內外研究人員的重視,研究火旋風的形成機制、運動形態(tài)以及由于火旋風而形成的熱流場,是控制室內火旋風發(fā)生發(fā)展的一個主要內容,對保障社會安定具有重要意義。
　　

2、進行火災熱流場相關研究的方法主要有實驗研究、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開縫的豎通道內浮力旋轉火焰及熱流場的相關特性進行深入研究,具體工作內容如下:
　　首先,歸納了熱浮力旋轉流場的數(shù)學模型,給出了適用于火災場的多組分、低馬赫數(shù)、有粘性、熱驅動浮力流的數(shù)學模型,包括控制方程組,混合分數(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行了濾波;在動量方程的基礎上研究了

3、渦量方程、渦量場的動力學特性、旋轉系統(tǒng)中流體的運動方程以及火災場中的渦量方程。
　　其次,搭建了一個有側開縫的方形豎通道,進行熱浮力旋轉流的實驗研究,發(fā)現(xiàn)無量綱側開縫寬度在某一臨界范圍內時,火焰的旋轉最為劇烈、火焰高度最高、燃料燃燒速度最快;隨后在臨界無量綱側開縫寬度條件下,進行了三種不同直徑及燃料用量的火旋風實驗,分別對旋轉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行了詳細研究,并對文獻中提出的普通汽油

4、池火燃料失重速率及火焰高度計算經(jīng)驗式中的部分參數(shù)在本文研究的旋轉火焰條件下進行了修正。
　　第三,應用火災場模擬軟件FDS并采用LES方法對豎通道內熱浮力旋轉流實驗進行了模擬計算,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,利用實驗結果對所選模型的有效性進行了驗證;進而對浮力旋轉火焰的周向速度及軸向速度分布進行預測,并對三種情況下旋轉火焰的最大軸

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