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火灾模拟中的RANS/LES混合湍流模式

作　者: 李显祥
导　师: 任玉新
学　校: 清华大学
专　业: 力学
关键词: 分离涡模拟巨大涡模拟混合湍流模式火灾模拟
分类号: O357.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

火灾几乎包含了在亚音速化学反应流动中所遇到的所有效应,是一个涉及许多物理、化学过程的复杂问题。对于火灾的传播及控制都起重要作用的是其中烟气的流动。这种流动由于火灾的复杂特性一般都呈现湍流的特征。因此,湍流模拟的准确与否将直接影响火灾模拟效果的好坏。目前在火灾模拟中应用较多的湍流模拟方法是雷诺平均方法(RANS)和大涡模拟方法(LES)。RANS方法在一些重要问题中的预测效果不理想,而LES方法以其在精度和成本方面的平衡正在火灾模拟中取得越来越重要的地位。但是LES方法对网格的要求是非常严格的,尤其是近壁面处。RANS/LES混合湍流模式则可以结合RANS方法在附着区内以及LES方法在分离区内各自的良好性能。本文从Travin等给出的分离涡模拟方法(Detached-eddy Simulation,DES)方法的一般性定义出发,通过引入和网格尺度相关的湍流含能尺度,基于曾广泛用于火灾模拟的浮力修正k-ε模式构造了两种新的RANS/LES混合湍流模式。当网格比较粗糙的时候,新构造的混合湍流模式就退化成浮力修正的k-ε模式;而当网格足够精细时,第一种模式则可以认为是LES方法的Smagorinsky亚格子应力模式考虑非平衡效应的推广,第二种模式成为一种双方程亚格子应力模式。为了检验本文提出的混合湍流模式,它们被分别应用于模拟自然对流问题和强制对流问题。计算在多种网格条件下进行,计算的结果和LES方法的计算结果以及实验数据的比较表明,混合湍流模式可以在网格数较少的情况下取得不差于LES方法的结果,并且和实验数据也符合得很好。同时,混合湍流模式被应用于数值研究两个典型室内火灾问题:Steckler单室火灾和购物中心火灾。计算结果正确的给出了火灾中的速度和温度分布,并成功预测了出口附近的烟气和环境之间强烈的卷吸和掺混作用。这些都表明本文发展的混合湍流模式非常适合于模拟火灾这类雷诺数高、璧面随处可见的问题。但是,单靠改善湍流模式仍然是不够的,湍流燃烧模型对于火灾模拟的效果的影响也是很大的。

全文目录

第一章引言  8-18
  1.1 课题的背景和意义  8-9
  1.2 文献综述  9-17
    1.2.1 火灾模拟研究进展  9-12
    1.2.2 湍流研究进展  12-17
  1.3 本文的工作  17-18
第二章数学模型及数值方法  18-34
  2.1 基本方程  18-24
    2.1.1 守恒方程  18-19
    2.1.2 状态、质量和能量方程  19-20
    2.1.3 动量方程  20-21
    2.1.4 湍流燃烧子模型  21-23
    2.1.5 热辐射子模型  23-24
  2.2 数值计算方法  24-33
    2.2.1 基本方程  24-25
    2.2.2 时间离散方法  25-26
    2.2.3 空间离散方法  26
    2.2.4 质量输运方程的离散  26-28
    2.2.5 动量方程的离散  28-31
    2.2.6 压力方程的离散  31-33
  2.3 本章小结  33-34
第三章混合湍流模式  34-58
  3.1 混合湍流模式的构造  34-39
    3.1.1 k-ε模式  35-36
    3.1.2 LES方法  36
    3.1.3 基于k-ε模式的混合湍流模式  36-39
  3.2 数值计算方法及边界条件  39-42
    3.2.1 数值计算方法  39-42
    3.2.2 壁函数  42
  3.3 模型的数值检验  42-49
    3.3.1 自然对流问题  42-45
    3.3.2 强迫对流问题  45-49
  3.4 本章小结  49-58
第四章混合湍流模式在火灾模拟中的应用  58-67
  4.1 Steckler单室火灾问题  58-59
  4.2 购物中心火灾问题  59-60
  4.3 本章小结  60-67
第五章结论  67-68
参考文献  68-74
致谢、声明  74-75
个人简历、在学期间的研究成果和发表的学术论文  75

火灾模拟中的RANS/LES混合湍流模式

内容摘要

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