Моделирование тепломассообмена и горения при пожаре

• Автор: Снегирёв, Александр Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 270 с. : ил.

1. Общая характеристика работы
2. Специфика горения и тепломассообмена при пожаре. Нерешенные проблемы
3. Моделирование пожаров в помещениях
4. Структура работы
1. Моделирование пожара в помещении. Обзор состояния вопроса и задачи исследования
1.1. Турбулентные дозвуковые течения
1.2. Турбулентное горение газов
1.3. Образование и окисление сажи
1.4. Тепловое излучение
1.5. Коагуляция и оптические свойства аэрозоля
1.6. Постановка задачи исследования
2. Построение модели
2.1. Основные уравнения
2.2. Моделирование турбулентности
2.2.1. Уравнения переноса параметров турбулентности
2.2.2. Граничные условия для параметров турбулентности
2.2.3. Граничные условия для уравнения энтальпии
2.3. Моделирование горения
2.3.1. Одностадийная реакция
2.3.2. Двухстадийная реакция
2.3.3. Моделирование образования сажи
2.4. Моделирование конденсированных продуктов горения (аэрозоля)
2.4.1. Распределение частиц по размерам и его первые моменты
2.4.2. Решение для стационарной зоны пламени
2.4.3. Нестационарное решение для потока вне зоны пламени
2.4.4. Анализ режимов коагуляции
2.4.5. Автомодельное распределение частиц по размерам
2.4.6. Уравнения переноса аэрозоля
2.4.7. Заключение
2.5. Оптические свойства аэрозоля
2.5.1. Дальность видимости и чувствительность человеческого глаза
2.5.2. Поглощение, рассеяние и ослабление света аэрозолем: сферические частицы
2.5.3. Влияние коагуляции: сферические частицы
2.5.4. Поглощение, рассеяние и ослабление света аэрозолем: фрактальные агрегаты
2.5.5. Влияние коагуляции: фрактальные агрегаты
2.5.6. Заключение
2.6. Моделирование теплового излучения
2.6.1. Перенос теплового излучения
2.6.1.1. Оптически прозрачное приближение
2.6.1.2. Потоковый метод
2.6.1.3. Диффузионный метод (метод сферических гармоник)
2.6.1.4. Статистический метод (Монте-Карло)
2.6.1.5. Сравнение методов расчета переноса излучения на тестовых задачах
2.6.2. Радиационные свойства продуктов сгорания
2.6.2.1. Смесь СОг и НгО
2.6.2.2. Сажа
2.6.2.3. Смесь СОг, НгО и сажи при использовании метода ВСГГ
2.6.2.4. СО и несгоревшее горючее
2.6.2.5. Эффективный коэффициент поглощения смеси
2.6.2.6. Учет турбулентных пульсаций
2.6.3. Заключение
2.7. Граничные и начальные условия
2.7.1. Граничные условия на поверхности горючего
2.7.2. Граничные условия на ограждающих поверхностях
2.7.3. Другие граничные условия
2.7.4. Начальные условия
3. Численная реализация модели
3.1. Расчетная сетка
3.2. Аппроксимация уравнений переноса скалярных величин
3.3. Аппроксимация уравнений переноса проекций скорости
3.4. Аппроксимация конвективных членов
3.5. Расчет поля температуры в ограждающих конструкциях
3.6. Аппроксимация правых частей в разностных уравнениях
3.7. Решение систем алгебраических уравнений
3.8. Расчет поля давления
3.8.1. Динамическое давление и существенно дозвуковое приближение
3.8.2. Процедура коррекции давления
3.9. Структура алгоритма решения
4. Тестирование и апробация модели
4.1. Течения без горения
4.1.1. Вынужденная конвекция. Обтекание обратного уступа
4.1.1.1. Ламинарное течение
4.1.1.2. Турбулентное течение
4.1.2. Естественная конвекция. Течение в прямоугольной полости
4.1.2.1. Ламинарное течение
4.1.2.2. Турбулентное течение
4.2. Турбулентное диффузионное пламя над газовой горелкой
4.2.1. Двумерное осесимметричное пламя
4.2.2. Трехмерное пламя
4.2.2.1. Основные характеристики течения
4.2.2.2. Расчет переноса излучения
а 4.3. Горение жидкостей в открытом пространстве
4.3.1. Постановка задачи
4.3.2. Результаты расчетов
4.3.2.1. Горение в отсутствие бокового ветра
2. Построение модели. Моделирование конденсированных продуктов горения (аэрозоля)
аэрозоля обсуждается также в работе [Baum, Mulholland, 1979]. Экспериментальное исследование структуры частиц сажи над турбулентными пламенами в открытом пространстве, выполненное в работе [Koylu, Faeth, 1992], показало, что агломерация сажи при больших временах движения практически прекращается, что также же можно объяснить интенсивным захватом окружающего воздуха и разбавлением аэрозоля в потоке.
Таким образом, для данных объемной скорости генерации аэрозоля г0 и характерных времен разбавления xd0 и xd, влияние коагуляции определяется начальным средним объемом v0 частиц, образующихся в зоне пламени. Рис. 2.4. и соотношения (2.65) показывают, что в пределе малых образующихся частиц v0 «1 как полная концентрация, так и средний объем частиц вдалеке от зоны пламени не зависят от начального объема. Из (2.59) следует, что условие v0«1 означает, что
тс <<: yTJoTd > т-е- имеет место предел быстрой коагуляции. В этом пределе средний объем частиц v(f) растет во времени из-за коагуляции, в то время как полная концентрация частиц N(t) уменьшается как из-за коагуляции, так и из-за разбавления. В противоположном пределе v0»1 частицы сохраняют свой начальный объем, а концентрация уменьшается только из-за разбавления. Условие v0 »1 означает, что хе » xd (предел медленной коагуляции).
Следовательно, коагуляция сильно влияет на размер и концентрацию частиц аэрозоля, если начальный средний объем частиц, образующихся в зоне пламени настолько мал, что v0 «1. Напротив, коагуляция не проявляет себя, если v0 »1. Условная граница v0 »1, которая соответствует пересечению асимптот на рис. 2.4, разделяет режимы быстрой и медленной коагуляции и дает следующее значение начального среднего объема частиц, образующихся в зоне пламени:
~о (2.66)
С учетом (2.58) последнее равенство может быть записано для штучной скорости образования частиц в зоне пламени N0 = 2/Txdaxd и имеет следующий физический смысл. Чем больше коэффициент коагуляции Г, тем меньшая скорость образования новых частиц N0 требуется для реализации режима быстрой коагуляции. Кроме того, чем интенсивнее разбавление, т.е. чем больше величина l/xdoxd , тем выше граничное значение N0
Режимы коагуляции на плоскости параметров г0 и v0 представлены на рис. 2.5. Пунктирная линия соответствует условной границе между режимами v0 = v0 , где v0 вычисляется по (2.66). При увеличении rxdxd0/2 угол наклона границы увеличивается, а область параметров, соответствующая быстрой коагуляции, расширяется. Расположение в пространстве зон с различным влиянием генерации, коагуляции и разбавления аэрозоля схематично показано на рис. 2.6. Основные черты режимов коагуляции в потоке перечислены в табл. 2.3.