预测与FireFoam小规模池火

文摘

一个计算模型,运用大涡模拟(LES)湍流模型是实现,通过涡耗散燃烧(EDC)概念模型的使用fireFoam解算器。少量甲醇池火灾模拟实验来验证和比较计算结果,因此试图解决的有效性进行验证。执行详细的收敛性分析显示,大约二百万的网格元素就足以实现令人满意的数值结果(包括化学动力学)。一个好的协议是实现之前的实验和计算结果,特别是在火焰高度和平均温度的预测轮廓。

1。介绍

正确的预测和描述火灾已经成为一个主要的担忧安全工程和风险分析。消防安全的研究开发主要强调火灾探测,加热结构,烟气充填率(1]。通常这一现象分析了通过不同的实验技术。然而,由于火灾、破坏性的自然实验可以非常昂贵,而且由于它的随机性,它可以几乎不可能复制。考虑到这一点,近年来已经有越来越感兴趣的计算和数值模拟的火灾。

不过,有很多的困难出现在完全制定火灾动力学模拟模型。首先,火灾的事实考虑几种不同的物理现象同时发生如湍流,湍流混合过程,热力学、传热(尤其是通过辐射,从而允许热解),和化学动力学2]。另一个困难是耦合的分析认为由于这些包括长范围的长度和时间尺度(例如湍流和化学时间尺度)。这就是不同的假设应用于燃烧,化学动力学和流体动力学过程(3]。

这些简化导致不同的发展模式。时发挥作用(定义为一个不受控制的火势蔓延2),主要有两种类型的模型:区域和领域模型。第一个基本上把空间的火灾发生分为两个主要地区:一个主要仍然是产品的燃烧过程,另一个反应空气(氧气),直到它消耗的反应。另一方面,领域模型是开发利用计算流体动力学(CFD)反应流,为了解决navier - stokes方程加上(即化学动力学的解决方案。分数混合解决方案)4]。

虽然区模型是相当简单的,他们有一个主要限制在这些只能考虑火灾在一个外壳,因此限制几何图形和病例可以通过它们来解释。相比之下,领域模型有更高的数学复杂性,同时能够适应几乎任何几何域和约束。因此,人们越来越有兴趣在这一领域,开发可靠的领域模型不够准确和精确预测火灾、补充实验分析。一些最引人注目的领域模型是火焰表面密度模型由找到和Poinsot [5],陈的部分搅拌反应器模型[6),或层流小火焰单元模型最初提出的彼得斯(7]。

的一个主要燃烧模型中使用领域模型是涡流损耗的概念(EDC),由Magnussen开发。,提出一种“与燃烧速度的涡流损耗”(8]假设反应的速率是反应的平均浓度的函数形式,湍动能及其耗散率(9]。EDC开始作为一个模型能够考虑湍流和混合动力,同时考虑到化学动力学解尤其是积灰。最近这个模型的兴趣已经转移到开发一个EDC能占湍流大涡模拟(LES)模型,而不是雷诺平均n - s(跑)传统模型9- - - - - -12]。

使用LES模型,最大的问题是这些过滤器根据不同的长度尺度湍流特性产生的涡流(积分,泰勒,柯尔莫哥洛夫规模)。因此变得复杂,讨论某个网格收敛计算模型中使用莱斯,因为任何改变细胞的大小的网格大小的变化也会导致动荡的过滤模型,呈现不同的结果,不一定会收敛(10]。

对池火灾的模拟,近年来已有一些研究。研究最多的病例之一是Tieszen等人2002年提出的实验(13]。这个实验模拟了不同作者使用主要火灾动力学模拟(FDS)。情况就是这样的模拟鑫等人(2008年14和2009年张和杨紫琼15]。他们的研究结果主要表现出兴趣流的速度的脉动速度场的细节(14,15]。另一个例子是Novozhilov和户籍或研究16火)使用软件来模拟在不同的实验分析结果包括Weckman和强大的实验17]。因此,他们的报告结果温度随时间的演化,以及规范化的火焰高度和池火灾不同燃料的燃烧率和尺寸。最后,在2014年陈et al。18]也重现Weckman获得的计算结果和强大17),为了测试的功能LES模型开发的解决者fireFoam。陈发达辐射发射一个新的模型,获得不同的结果的火焰高度,热生成,温度和发射轮廓。然而,这些结果与实验的完全不一致,尤其是火焰高度和温度均方根轮廓。

因此,这项工作的主要目的是预测一个小规模的动态池火灾和研究的影响计算域的离散化尤其是方向垂直(火焰传播),当使用LES湍流模型与EDC燃烧模型。提出的测试用例,实验Weckman和强劲的1996年(17选择和模拟。这个想法是为了验证数值结果,通过比较实验结果以及其他计算结果中发现文学。数值结果显示网格分辨率的影响在某些变量轮廓和火焰的高度。

2。方法

2.1。实验装置

目前的计算中使用的基本情况研究实验由Weckman和强劲的30.5厘米的由甲醇池火(17]。Weckman和强劲的使用不同的实验技术(例如多普勒风速测定)为了测量范围广泛的数据:速度,中心线和轮廓的温度,均值和均广场(rms)的速度和温度的波动,和火焰高度17]。这个特殊的案例中已经被记录在文学,不同作者开发了计算分析来验证数值计算结果(FDS [19)、火(16],苏菲[20.],fireFoam [18,21])。

实验装置由一锅烧嘴直径30.5厘米的甲醇注入1.35厘米的速度³/秒,以确保一个24.6千瓦的热释放率。燃烧器设计的障碍降到最低环境空气流入火,这样保证锅是至少一个池直径在地板之上。值得一提的是,一个自然通风罩用于废气燃烧的产品。

2.2。计算设置

为了进行模拟,开放源代码OpenFOAM-2.4.0(的)使用。这个版本编译的fireFoam解算器开发CFD直接和FMGlobal之间。这种方式为可压缩流动navier - stokes方程可以解决使用有限体积方法作为图书馆的湍流流动。FireFoam使用一个疙瘩算法迭代计算反应流的属性。这个迭代允许结合简单和庇索算法,这样它可以使用三个校正方程在解决其他运输压力和速度方程(9]。

2.3。计算域、网格和边界条件

计算域是一个圆柱体直径1.8米的身高和1.8(严重6池直径)确保边界条件从池中足够远的基础。这种方式火焰可以自由发展,这样的脉动现象是由于浮力,不是一个相互作用的边界条件的影响。生成网格的效用blockMesh是使用。域使用中的六面体的元素和共有90个细胞的直径池火是用来运行模拟(18]。网格生成是克制的顶点几何,进而部队共有270个细胞跨域的直径。然而,并没有主要的影响研究部门的数量在垂直方向(火焰传播)的数值结果。四个不同的网格生成为了追求这个研究和表1显示最重要的这些网格的详细信息。所有网格的细化对底部的脸,这样有更多的元素燃烧器的出口附近。

立方根的最小大小体积(CRV)粗网格几乎7毫米,比实验值小的泰勒长度尺度(17]。如图1 (c)在该地区接近燃烧器,细胞体积足够小,捕获这个长度尺度。最后,图2显示了一个粗网格的可视化和细节(162万细胞)。

四个不同的边界被定义:基地,出口,进口片的“基础”的脸。以确保正确可以模仿这一现象,根据边界条件设置表2。

的zeroGradient条件确定变量没有梯度的方向正常的边界。的inletOutlet条件不同的行为取决于流动的方向。当流领域它作为一个zeroGradient条件;然而当流进入域(回流),它充当一个恒定值由用户。用于的进气值inletOutlet边界条件是= 0米/秒,= 300 K,米²/秒²,CH₃哦,质量分数= 0,和O₂质量分数= 0。的pressureInletOutletVelocity执行作为一个inletOutlet条件,但对于回流,而不是一个恒定的值,这是计算从从内部获得细胞的压力值22]。动力湍流能量计算根据关系:在哪里湍流强度(),假设各向同性湍流。典型的湍流强度值为中小型规模池火灾可以5至15%。在“出口”的边界,也有价值米²/秒²当执行一个入口条件。

2.4。计算模型

选中的湍流LES模型目前工作是梅农等人提出的一个光谱涡粘性模型,这“假设能量和能量转移是在彼此相波数空间”(23]。这种模式的优势是完全计算;因为它只由一个方程的则需要更少的计算成本。尽管这种假设是大到足以显著偏离恰当方程的结果(23],先前的计算研究[18)证明,使用该模型计算结果与实验数据显示一个好的协议。

为了燃烧模型,选择Magnussen提出的涡流损耗的概念。这个模型主要表达了湍流混合的湍动能及其耗散,后者等于反应速率。这导致一个表达式的质量分数的两种湍流特性(24]。这种方式,该模型只需要解决一个额外的输运方程的燃料的质量分数9]。EDC模型的实现fireFoam是被编译的版本。然而,由于它是基于Favre-averaged反应速率(9),主要用于湍流跑模型,因此画最近兴趣耦合LES模型。

对于化学动力学的解决方案,irreversibleinfiniteReaction模型中可用的库使用。这个模型只考虑一个反应(见(1))来解决案件的化学,基本上一个方程平衡模型。 通过使用一个反应模型,化学动力学的解决方案是大大简化,因为它限制了物种的数量在这种情况下(5)从而减少迭代的数量和反应速率方程解算器来解决,因此减少全球模拟的计算成本。

有限体积离散纵坐标模型(fvDOM)也包括在仿真以辐射传热模型。在目前的工作,考虑到实现的模型作为灰色气体气相参与媒体,而辐射传递方程(RTE)是通过一个“松耦合”的方法解决。这意味着RTE解决使用前面的时间步的解决方案(滞后时间)。然后,辐射加热场的散度作为源项的能量方程,解决了丘疹(庇索)算法(25]。

模拟设置有一个可调的时间步,这样Courant-Friedrich-Lewy数量(CFL)波动在0.5。换句话说,平均0.5的模拟将节能灯。这样整个模型取决于指定的节能灯,而不是一个固定的时间步,这将使解决这个问题取决于流体的速度。这是相关考虑,反应湍流流动的速度不是常数;因此,节能灯会改变的,时间和空间,随着流动的发展。最后,庇索算法将使用高斯线性解决方案,与隐式欧拉离散化的时间。

3所示。结果

数据3和4显示瞬时温度轮廓(中腔和3 d等位面)粗(C)网。特别是,这些图像显示活跃的现象为主要反应流的传输机制,因此,建议池火灾模型的正确实施。

由于瞬时变化从一个模拟另一个结果,有必要看看时间平均的结果感兴趣的不同的变量,也就是说,温度、速度和质量分数如图5和6分别为网格C和科幻小说。显示的结果是基于平均在20多岁的一个时间框架窗口。

通过比较数据5和6,很明显,细网格能够获得更详细的结果。例如,通过比较图像(c)和(d)从两个数据,科幻小说网能够详细化学动力学解更高的领域的一部分。这也发生在速度概要文件(图片(b)在这两个数字)。在这种情况下,粗网格只获得速度2.87米/秒,而科幻小说网上升到3.18 m / s。同时,值得注意的是,最高速度覆盖范围在科幻小说网高于C网(即。,红色轮廓图更大6比图5)。另一方面,一般质量分数轮廓显示相同的价值观,除了这些还有一个更好的分辨率更高的领域的一部分。值得注意的是氧气的概要文件(反应物)有点小相比,二氧化碳(产品)。这能洞察最外层点反应的发生(点两个物种显示轮廓),和的位置开始控制燃烧过程的热气体。看温度轮廓,更高的温度也覆盖更大空间区域的科幻小说网比C网;然而后者最高温度显示值为13%高于细网。最后,有趣的是注意到每个轮廓的最大值(最小值氧气轮廓,因为它是一个反应物)沿轴的域有相似的位置。

火焰高度使用四种不同的近似模拟的决心:图像分析,混合分数计算,fireFoam火焰高度的工具,Hekestad的经验方法1]。第一个是由视觉定位的最高点燃烧质量分数最高的产品,根据平均质量分数轮廓(图片(d)的数据5和6)。这将反过来给点反应仍然发生,因此代表了可见的火焰。

第二种方法估计,平均混合分数(),(2)[3]: 图7显示了时间平均混合分数值沿轴向位置的火焰。从这个结果,可以被定义为火焰高度的位置,对应于化学计量值。

第三种方法用来估计是一种工具包括在火焰高度fireFoam解算器。在这种情况下,火焰高度计算使用(3)[18]: 在哪里垂直坐标(火焰传播方向),在吗的质量分数density-weighted (18]。

最后一个方法用来估计火焰高度完全是经验(见(4))的火焰高度与产生的总热量池火灾和火灾的直径(1] 最后,Weckman和强有力的实验确定火焰高度的最高点火焰仍然可见,利用瞬时摄影。实验测量火焰高度不高于0.3米(17]。然而,值得一提的是,甲醇燃烧的蓝色火焰(没有烟尘的形成);因此很难准确地确定高度视觉(18]。

3.1。网格收敛性

火焰高度是标准用于网格收敛性,如图8和表3的火焰高度不同的方法收集。

很明显,火焰高度的渐近行为收敛。对于视觉轮廓方法,实验和计算结果之间的差异只有8.6%和5.3%的粗和细网格,分别用最少的3%中网格。当看着混合分数法获得的结果,3%的差异对观察到的实验数据报告(SF)网。

的fireFoam火焰高度计算的工具(质量分数方法)高度overpredicts 0.3米的实验结果。这个结果是预期的自定义包括所有地区质量分数的计算域的燃料和氧化剂存在但不考虑产品的质量分数。这个地区的边界比该地区的化学计量值混合分数(第二种方法)。

图8表明,提出的模型的收敛性。基于这些结果,中(M)网格被选为一个更好的妥协数值精度和计算成本。这也表明当看着标准化的结果,根据麦卡弗里描述池火灾的行为。归一化结果如图9和10提供一个更好的协议与实验结果报道,甚至比其他计算结果发表在文献[18]。

很明显,这实际上是一个行为往往收敛计算网格细化时特别是在地区远离燃烧器出口。图9也显示了预期行为所显示Heskestad [1),当达到的区域远离燃烧器出口的曲线的斜率方法−5/3。数据11- - - - - -14显示平均轴向速度和径向位置的函数在不同的垂直位置(6、10、18、30厘米)。更好的计算和实验结果之间的协议是观察到远离燃烧器出口(图14)

计算结果的收敛行为时还可以欣赏看平均温度轮廓。为此,选择12个轮廓范围在300 K和1092 K(细网获得的最高平均温度);因此,由内而外,轮廓增加每66 K。在图15彩色的轮廓显示,超细网状细胞(2.84米),而黑色的轮廓显示粗网格。

然而,当比较模拟结果,与实验获得的Weckman和强大17),很明显,火的随机行为现象不能被复制到它的全部。不仅是不同的几何轮廓,而且数值。实验结果显示值高达1300 K,而唯一的模拟到达这样一个值是粗网格。然而,也有一些观察,可以发现从这个比较。尽管轮廓的几何形状并不相似,一般的行为。例如,燃烧器附近的轮廓的退出方法燃烧器出口时倾向于扁平。此外,考虑高温领域的事实是相似的;也就是1000 K轮廓在实验和数值结果达到约25厘米的高度和径向6厘米的位置。因此,尽管从实验的数值结果有所不同,池火灾的一般行为似乎是正确的。特别是,由于高温(1000 K)以上区域包含在同一地区(高25厘米,宽6厘米以下)。 It is evident that the medium (M) mesh behaves similar to the finer meshes. While the coarse (C) mesh does not show any bending of the temperature contours close to the burner exit, the medium (M) mesh captures part of this behavior.

的主要优势之一fireFoam解算器,它能够解决这个特殊的燃烧的化学动力学过程。这些结果在图所示16。

甲醇(燃料)的最高消费同时发生最大的增加水蒸气和二氧化碳(虚线图16)。此外,考虑这一事实的反应有效地达到一个平衡,由于一个反应系统的一部分不可逆转的无限的反应化学动力学模型的解决方案。

最后,表4显示的模拟粗(C)网花了大约180小时运行的CPU时间12并行流程在Intel Xeon处理器e5 - 2695 v2,而细(SF)网花了267小时的CPU与相同数量的并行过程。这再次证明了所使用的不同模型的必要性,考虑燃烧过程的复杂性。尤其是湍流和化学动力学模型是必要的显著减少计算成本。

4所示。结论

在目前的工作,进行模拟以复制Weckman获得的实验结果和强大17)与小规模甲醇池火,通过使用开放源代码fireFoam。数值结果显示良好的协议与结果如火焰高度和归一化的结果。然而,当看着时间平均结果,特别是温度轮廓结果显示一些差异,再一次证明火灾和湍流反应流的随机性质。同样,这证明了通过比较计算结果中腔的平均温度的轮廓与实验;这不仅显示了数值也是几何差异。然而,这些结果表明,该模型的一般行为,实现可以有效地模拟一个池火。气温高的地区是相似的在这两种情况下(实验和数值)或化学反应发生在类似的地区(火焰高度的结果)。同时,通过运行仿真网格收敛性进行了分析与四个不同的网格尺寸。这证明有效的燃烧和湍流模型有一个渐近行为的元素数量的函数计算域妥协。基于收敛分析,适当的肯定,与90师网池火的直径和50个部门在轴向方向上(中型网)很好能获得可靠的结果; an error of 3% is obtained with respect to flame height while there is a negligible difference when looking at Hekestad’s normalized results (Figure9轮廓(图)和温度15)。考虑到所有这一切,fireFoam工具已经被证明是一个有效的解算器池火灾的数值模拟。这反过来会导致建议使用大规模扩散火焰湍流的计算工具。例如,在预测、预防或后验分析大型火灾,它能够可靠地计算不同变量的兴趣如温度,速度,和物种质量分数。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢安第斯大学的工程学院和大学del Valle(格兰特CI2868)提供资源和支持目前的研究和发展,同时,HPC支持团队在安第斯山脉,大学提供的集群计算服务模拟。

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