建筑火灾中基于大涡模拟的场区复合数值模型及其应用

结合大涡模拟技术,采用体积守恒压力修正的区域模型发展了一种新的火灾过程场区模拟程序.采用低Mach数近似下的三维可压缩Navier-Stokes方程,和有限差分法计算了滤波后的控制方程,对着火房间内的烟气运动过程进行有效的模拟.对一个模型多室建筑以及一个真实尺寸多室建筑内的火灾烟气运动过程进行数值模拟,并将模拟结果与实验数据进行对比.结果显示该方法能够较好地描述建筑火灾中的烟气运动规律.其模拟结果能够为建筑消防安全的性能化设计提供参考.     

分离涡模拟k-ε湍流模式及在火灾模拟中的应用

为了构造一种使用较少网格并能获得流动主要特性的湍流计算方法,根据分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)方法的一般性定义,发展了一种基于k-ε两方程湍流模式的DES方法.用该方法代替FDS软件中的亚格子应力模式构造的DES求解器被用来对湍流强迫对流问题和单室火灾问题进行数值模拟.计算结果与大涡模拟的结果和实验数据进行对比.强迫对流问题的计算结果与实验数据吻合得非常好,用较少的网格取得了比使用较多网格的大涡模拟方法更好的结果.用该方法预测的单室火灾问题的速度分布与实验结果非常接近,但是预测的温度分布则较差.这可能是由于该数值方法缺乏较好的湍流燃烧模型所致.     

K-∈湍流模型下门桥水阻力的数值计算

采用RANS方程和RNGκ-ε二方程湍流模型及VOF算法对绕门桥的自由表面流动进行了数值计算。数值计算时，使用有限体积法离散控制方程，对流项采用二阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式。对门桥模型进行了一系列速度下的数值模拟；计算结果与试验测量数据相比较，该计算方法具有较好的计算精度，可用于门桥性能分析和优化。     

二级轻气炮发射过程数学模型和计算方法

建立起模拟二级轻气炮发射过程的数值方法.运用经典内弹道学理论描述药室内火药燃烧状况和活塞运动过程,可压缩流体一维变截面非定常无粘流动数学模型描述轻气室内气体流动状态和弹丸运动过程,并通过活塞运动状态将两者耦合到一起,建立起二级轻气炮发射过程的数学模型.运用经典Runge-Kutta方法求解药室方程,二阶MacCormack格式和Harten二阶TVD格式求解轻气室方程,通过两部分计算的交替进行,实现了二级轻气炮发射过程的数值模拟.分析不同差分格式对计算结果的影响,MacCormack格式具有较高的整体计算精度,而TVD格式可以更好地捕捉流场中的激波.     

流动模拟二阶精度的简易保持研究

首先分析了各类低阶和高阶差分格式,指出二阶精度格式具有综合优势．接着以二维对流扩散方程为例,推导出延迟修正的CDS格式,并定义为DCDS格式．通过标量绕静点输运、自然对流及混合对流等实例,并与UDS,CDS及QUICK格式比较,论证了DCDS格式不仅能维持计算结果的二阶精度,而且极大地约束了CDS格式所固有的振荡和越界行为,边界处理也很简单．总之,在程序的效率、调试、边界处理、计算精度及稳定性等因素权衡下．DCDS格式是保持二阶数值精度的简易途径。     

通风控制下建筑物通道内火灾烟气运动的数值模拟

通风控制下的建筑物火灾具有很大危害性.对受通风控制的建筑物通道内的火灾烟气运动进行了数值模拟,给出了烟气温度、速度和组分质量分数的分布.将模拟结果与燃料控制下通道内火灾烟气运动的计算结果进行了对比,揭示了不同燃烧状况下通道内烟气运动与火蔓延的特点.     

改进热平衡法的燃油式火灾试验炉模拟与分析

为实现火灾动力学模拟(FDS)软件对火灾试验炉的模拟,以热平衡法为基础,在原燃油生成热计算公式中引入有效燃烧系数,使其适用于FDS对轻柴油燃烧的模拟;依据质量守恒原理,计算离炉烟气带走热量代替原来的经验公式计算法,进而提出基于改进热平衡法的FDS模拟火灾试验炉的方法.模拟结果表明:相较于热平衡法,改进热平衡法FDS可以更好地模拟火灾试验炉的燃烧过程,模拟平均炉温曲线和设定的ISO-834标准升温曲线吻合得更好.     

二维对流扩散方程的紧致差分格式

总结了近些年出现的针对二维对流扩散方程给出的多种差分格式;随后对一维模型给出了一种基本二阶格式,然后将结果直接推广应用到二维情形,得到一种新的无条件稳定的二阶五点差分格式;最后通过数值实验与前面诸多格式比较,结果表明该格式具有非常好的计算效果.     

高层建筑的火灾模拟与逃生行为研究

以广州天河某商业中心为例,运用FDS和Pathfinder模拟器,研究了火灾场景时高层建筑内的烟气蔓延速度、温度、CO浓度和能见度的变化规律,以及室内人员的疏散行为特征。结果表明:①高层建筑中,在人员可用的安全疏散时间内,对人员逃生起决定作用的是中间过程阶段。在中间过程阶段,人员的移动速度会因路径选择难度的加大而变得缓慢,若适当地进行诱导,将有利于提高疏散速度。②本例中,仅通过疏散楼梯来进行人员疏散是不切实际的。考虑高温有毒的烟气有可能通过缝隙蔓延进电梯内,消防疏散电梯应仅停避险层、底楼或临近火灾区域的楼层。③FDS可以直接导入Pathfinder人员模拟器。通过FDS模拟高层建筑火灾,并结合Pathfinder进行人员疏散模拟,能根据实际情况找出最佳疏散时间,从而为实际应用中的疏散演练和应急诱导疏散规划等问题提供理论依据。     

基于通量分裂的一维溃坝洪水时空二阶精度格式研究

利用通量分裂方法和泰勒级数展开方法导出了圣维南方程组空间离散项的二阶精度格式,并采用Runge-Kutta方法计算时间离散项,使离散格式达到时空二阶精度。采用所建立的二阶精度格式对一维溃坝洪水进行数值模拟,从模拟结果可知,新格式具有自动捕捉激波的能力,数值解在间断波附近没有出现数值振荡,计算结果与理论解吻合很好,表明所建立的二阶精度格式能够很好地模拟溃坝波的演进过程。     

气-液两相流界面迁移现象的数值模拟研究

借助于LevelSet函数,建立了气-液两相的统一控制方程组,并在交错网格中进行离散.用两种格式,即Superbee TVD格式和5阶WENO格式求解LevelSet函数的输运方程,用SIMPLER算法的思想对主流场控制方程的求解方法进行改进.数值实验结果表明,在求解LevelSet的控制方程时,5阶WENO方法比Superbee TVD格式的结果更准确;用改进的数值算法可成功实现对密度比大于1000/1的气-液两相流界面迁移问题的数值模拟.对几种典型大密度比气-液两相流问题的计算结果与实际问题的物理规律完全一致,验证了该方法的有效性和可靠性.     

组合的LU分解迎风方法的多重网格收敛

为提高计算收敛速度,以新的高收敛率的LU型隐式格式和高精度、高分辨率的MUSCL TVD迎风格式为基础,对可压缩无粘和粘性流动问题计算的多重网格方法进行了探讨。采用二维凸包通道和VKI LS 59跨音速透平叶栅为算例,通过与单网格上的计算迭代性能做对比,证明这种算法在原有基础上更大幅度地提高了计算收敛速度,节省了CPU时间,而且方法本身也简单易行。     

Numerical Experiments on Critical Ventilation Velocity and Back-layer in Tunnel Fire

IntroductionWhen a fireis started onthe floor of a straight tunnelwithout a longitudinal ventilation flow, a hot plume risesabove the fire and for ms two gas streams flowing inopposite directions symmetrically along the ceiling(Fig .1(a)) .When a longitudinal ventilation current exists ,the gasstreams on both side of the fire source will not besymmetric any more . However , if the longitudinalventilation velocity is very s mall ,the for mation of a back-layer cannot be prevented (Fig .1(b)) .…     

Lattice Boltzmann method and its applications in engineering thermophysics

The lattice Boltzmann method （LBM）, a mesoscopic method between the molecular dynamics method and the conventional numerical methods, has been developed into a very efficient numerical alternative in the past two decades. Unlike conventional numerical methods, the kinetic theory based LBM simulates fluid flows by tracking the evolution of the particle distribution function, and then accumulates the distribution to obtain macroscopic averaged properties. In this article we review some work on LBM applications in engineering thermophysics： （1） brief introduction to the development of the LBM; （2） fundamental theory of LBM including the Boltzmann equation, Maxwell distribution function, Boltzmann-BGK equation, and the lattice Boltzmann-BGK equation; （3） lattice Boltzmann models for compressible flows and non-equilibrium gas flows, bounce back-specular-reflection boundary scheme for microscale gaseous flows, the mass modified outlet boundary scheme for fully developed flows, and an implicit-explicit finite-difference-based LBM; and （4） applications of the LBM to oscillating flow, compressible flow, porous media flow, non-equilibrium flow, and gas resonant oscillating flow.     

四阶紧致格式有限体积法湍流大涡模拟

为准确预测不可压复杂湍流,提出了一种应用于大涡模拟的高精度有限体积法。该方法在非交错网格上数值求解大涡模拟方程,空间离散采用有限体四阶紧致格式,时间推进用四阶Runge-Kutta法,压力速度耦合应用四阶紧致格式的动量插值。通过直接求解顶盖驱动方腔流动和振荡平板上方的流动,证实了该方法具有近四阶精度;并在此基础上,采用动力Smagorinsky亚格子应力模式,成功地完成了充分发展槽道湍流的大涡模拟计算,所得结果与直接数值模拟结果吻合良好。结果表明,该方法是实现高精度湍流大涡数值模拟的一个有效途径。     

螺旋型隧道火灾蔓延规律及人员安全疏散规划

为研究特殊线型的螺旋隧道中火灾蔓延规律,提出人员安全疏散规划,基于数值模拟软件FDS(fire dynamics simulator),以典型螺旋隧道——咪的村隧道为例,模拟20 MW火灾模式下,临界风速通风时螺旋隧道上行、下行隧道发生火灾后的火灾蔓延情况,重点分析螺旋隧道内温度和烟气浓度的纵向分布。根据模拟结果提出螺旋隧道火灾模式下人员安全疏散规划,进行咪的村隧道人行横通道设计校验。结果表明,螺旋隧道发生火灾时,人员的逃生方向与隧道上、下行及人员所处位置有关,应按照火灾蔓延烟气流动规律,有序的向更易撤离方向逃生;根据模拟结果,建议以900 s作为螺旋隧道人员可用安全疏散时间,经校验咪的村螺旋隧道人行横通道设计距离满足人员安全疏散要求。     

苏州火车站地下交通联系通道火灾烟控方案的性能

针对苏州火车站地下交通联系通道工程实际,建议增设防火卷帘对通道进行物理隔断,以地面出入口和风井划分排烟控制区段,提出不同火灾位置时的排烟控制方案.借助火灾动力学模拟软件FDS模拟苏州火车站地下交通联系通道火灾烟气的蔓延情况,结合火灾发生时人员和车辆利用通道内既有设施进行疏散的安全性分析,对各烟气控制方案的通风排烟效果进行性能化研究,验证了火灾烟控方案的有效性.     

不同通风模式下地铁车站内列车火灾的数值模拟

发生火灾时为乘客营造安全的撤离路径是地铁车站环控系统的重要任务.针对地铁车站环境控制系统设计中常用的两种紧急通风模式,使用计算流体力学(CFD)的方法,采用重正化群(RNG)k-ε双方程湍流模型,分别对地铁车站内列车头部、中部和尾部3个不同火源位置的列车火灾进行了三维数值模拟,得到了不同通风模式下的烟气浓度分布.通过分析和比较,认为在列车头部发生火灾时,仅依靠事故风机难以提供足够的能见度,应同时打开站台下排风系统和车行顶道排风系统辅助排烟,其效果在列车中部火灾模拟中得到了验证.列车尾部发生火灾时,推挽式通风模式的效果稍好于全排风通风模式,但也不够理想.文章为地铁车站环控设计中紧急通风模式的选型提供了参考,并对数值模拟方法在地铁车站环控系统设计中的应用进行了探讨.     

高层住宅安全疏散设计与优化

运用火灾模拟软件FDS(fire dynamic simulation)及人员疏散仿真软件Pathfinder对某高层住宅内人员遇火灾时的安全疏散进行研究,并基于火灾模拟结果及疏散模拟结果提出安全疏散措施及方案.研究结果表明:火灾发生时,通过关闭建筑内部的防火门可有效阻止着火房间烟气的蔓延,增大出口宽度可有效减少人员疏散时间,采用不同的楼梯电梯协同疏散方案会导致疏散时间的不同.因此,对高层住宅业主加强火灾安全教育,在火灾发生时采取合理的疏散方案可有效提升住户的逃生率.     

圆柱绕流的三维数值模拟

利用计算流体力学软件CFX－4,对粘性不可压缩流体的圆柱绕流进行了三维数值模拟,采用有限体积法和SIMPLE计算程式,利用不可压缩Navier-Stokes方程,模拟雷诺数在亚临界区内的绕流流动,并计算了流体的水动力特性。为克服数值模拟高雷诺数时的数值不稳定性,计算中采用了QUICK迎风格式,其对流项为三阶精度,其余项如扩散项等为二阶精度,圆柱两端边界采用周期性边界条件。计算结果表明,高雷诺数时圆柱周围的流动具有明显的三维特性,且沿柱长方向不同断面的升力和阻力系数并不相同。同时,对圆柱绕流进行了二维数值模拟,并与三维数值结果进行比较,发现三维模拟的升力和阻力系数均小于二维模拟。