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基于LBM的地下矿火灾热流仿真研究

作　者: 曹宇
导　师: 黄光球
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 采矿工程
关键词: 地下矿火灾热流格子Boltzmann方法计算机仿真分块耦合大涡三维巷道并行计算
分类号: TD752
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 46次
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内容摘要

近年来,地下矿山井下巷道火灾事故频频发生,给国家和人民的生命财产安全造成了巨大的损失。地下矿山巷道结构复杂多变,而且空间狭窄,一旦发生火灾就会产生大量的热流,在巷道通风系统的作用下迅速向巷道内部传播,对人员的疏散和财产的安全造成了很大的威胁,如果我们能够根据火灾发生的地点和通风系统的影响确定火灾热流传播的规律和危害的大小,就可以制定科学的防御策略,设计出有效的逃逸路线,从而保证人员的安全和减小财产的损失。地下矿热流态的仿真方法原先多采用有限体积法,有限元法等,但是这些方法的计算比较复杂,而新兴的LBM方法具有物理定义清晰、边界条件处理简单、程序易于实施和计算量小等优点,因此在热流仿真模拟上具有很好的应用前景。本文首先介绍了地下矿山热流仿真的基本情况和格子Bolztmann的基本理论,然后结合地下矿山巷道模型和热格子双分布模型对地下矿山热流的速度、温度、压力分布进行了模拟。在第二章进行了简单的平直巷道的模拟来验证模型的正确性。对于二维巷道高雷诺数情况下的热流仿真模拟,我们利用格子Boltzmann的TD2G9-LES模型以及分块耦合算法,建立了地下矿火灾热流的大涡模拟模型,模型中对速度场和温度场分别采用不同的方程进行模拟,然后再将其进行耦合。对复杂的地下巷道,通过分块耦合方法对巷道进行分块,计算的时候各块分别计算,然后在各块的公共边界上进行数据耦合交换。在模拟的过程当中,为了更加符合实际的巷道情况,我们在模型当中加入了热流的阻碍物和易燃物,仿真结果表明,该仿真方法可得到在高雷诺数情况下热流流动速度、热流温度和压力的可视化仿真结果,获得关于巷道热流流态的直观信息,从而为制定有效的规避热流的方案提供依据。接下来我们根据前人研究的基础又建立了基于三维分块耦合的适合于模拟三维巷道的热流模型,因为三维的模拟仿真数据量巨大,为了更加合理的利用计算机资源我们对此模型进行了并行算法的设计。此模型在实际的模拟当中取得了良好的模拟效果。本文针对地下矿巷道热流的实际情况,提出了多个适合于模拟不同情况下的热流蔓延仿真模型,并进行了实际的仿真。仿真结果说明格子Boltzmann方法是一种行之有效的地下矿热流仿真方法。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-13
  1.1 课题研究的背景、目的和意义  9
  1.2 格子Boltzmann方法国内外研究现状  9-10
  1.3 地下巷道热流仿真的国内外研究现状  10-12
  1.4 本课题创新点  12
  1.5 研究主要内容概述  12-13
2 地下矿山热流基本状况和格子Boltzmann方法基本原理  13-29
  2.1 地下矿山热流基本状况  13-14
  2.2 Boltzmann方程基本原理  14-16
  2.3 格子Boltzmann方程基本模型  16-18
  2.4 格子Boltzmann方程计算步骤  18-19
  2.5 格子Boltzmann方程边界处理  19-26
    2.5.1 启发式格式(heuristic scheme)  20-22
    2.5.2 动力学格式(kineticscheme)  22-23
    2.5.3 外推格式(extrapolation scheme)  23-24
    2.5.4 复杂边界处理格式  24-26
  2.6 热格子Boltzmann基本模型  26-27
  2.7 简单平直巷道仿真  27-28
  2.8 小节  28-29
3 基于分块耦合的格子Boltzmann地下矿火灾二维热阻大涡模拟  29-41
  3.1 热流大涡模拟及巷道热阻模型构建  29-30
  3.2 基于分块耦合算法及大涡模拟的热格子Boltzmann模型  30-36
    3.2.1 基于大涡模拟的热格子Boltzmann模型  30-33
    3.2.2 边界处理  33
    3.2.3 易燃物和障碍物的处理  33-34
    3.2.4 巷道分块耦合算法原理  34-36
  3.3 实例研究  36-38
  3.4 小结  38-41
4 基于分块耦合的地下巷道热流三维仿真模型  41-57
  4.1 热流巷道三维模型原理与构建  41-43
    4.1.1 热流巷道速度三维模型  42
    4.1.2 热流巷道温度三维模型  42-43
  4.2 巷道三维分块耦合算法原理  43-45
  4.3 热流巷道热流模型边界处理  45-47
  4.4 并行算法设计  47-51
    4.4.1 并行计算环境搭建  48-49
    4.4.2 并行算法设计  49-51
    4.4.3 并行程序开发  51
  4.5 实例仿真  51-55
  4.6 小节  55-57
5 总结与展望  57-59
  5.1 本文工作总结  57
  5.2 展望  57-59
致谢  59-61
参考文献  61-66
作者简介及硕士生期间发表的学术论文  66

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