通道倾斜角度对开口中性面位置影响（可编辑）

通道倾斜角度对开口中性面位置影响（可编辑） 通道倾斜角度对开口中性面位置影响 . . 第 卷第 期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报. 年 月 : . /. . ? .. . 通道倾斜角度对开口中性面位置影响 霍岩,郜 台,武红梅,邹剑峰 哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院,黑龙江 哈尔滨 摘 要:为了了解通道在倾斜状态下开口中性面随倾斜角度的变化,该研究采用实验和数值计算对倾斜角度为 。、 。、 。和 。的通道两端开口处的流场进行了测量和模拟.基于大涡模拟湍流模型求解浮力驱动 ? 方程的数值模拟 方法求得的模拟结果和实验值吻合较好,通过对通道两端开口处中性面位置比较发现,随着通道倾斜角度的增大,低端 开口的中性面高度逐渐上升,高端开口的中性面高度逐渐下降;倾斜角度为 。时,通道两端开口流场呈对称分布,中性 面下部流进通道气体流速较小;倾斜角度超过 。时,低端开口中性面已升到开口的最上端,高端开口处的气流以流出 通道为主,中性面高度已降至开口下边缘.该研究为改进通道内排烟、通风效率和空气质量提供了参考和帮助. 关键词:斜通道;浮力;中性面; 中图分类号: . 文献标识码: 文章编 号: , , , , , ,:. , , , 。, 。, 。,。. . , , 【., 。, , .。, , .: ; ;; 随着现代大型建筑以及交通设施的日益增多, 常复杂的过程 .为了掌握隧道火灾热烟气流动规 诸如隧道、通风管道等狭长通道的建筑结构形式也 律, 等 测量了沿隧道顶端热烟气的温度分布; 被广泛使用.当发生火灾时,热烟气由于浮力的作用 采用缩比模型研究了隧 道内的烟气流动控 在冷热气体之间产生压力差,使热烟气沿着通道顶 制;等 对顶部有开口的隧道进行了全尺寸 端流向起火点以外的区域,其流动与传热是一个非 火灾实验,并对隧道顶部开口温度和烟气流动进行 了研究;梁平等 进行了火灾时隧道内温度场的纵 收稿日期:. 向、横向分布规律及温度场扩散范围的一系列模型 基金项目:中央高校基本科研业务费专项基金资助项目 . 实验.通常,热烟气由通道开口流出的同时,伴随有 作者简介:霍岩一 ,男,博士后, ? :. : 郜冶 一 ,男,教授,博士生导师. 外界冷空气由开口流入通道内,因此在开 口处存在 通信作者:霍岩. 一 个内部压力和外部压力相等而没有流动发生的分第 期 霍岩,等:通道倾斜 角度对开口中性面位置影响研究界面,即中性面.由于部分环境空气的流动对火 灾蔓 其主要求解适用于低马赫数的浮力驱动流方程,其 延过程包括热烟气的蔓延过程有很大的影响 ,而 主要方程? 为 流进和流出的分界面由中性面的位置来决定,因此, , 、 准确地确定通道内中性面高度对于改进通道内排 烟、通风效率和空气质量意义重大 .针对简单开 ?~? :, 口建筑的中性面高度已有相应的分析计算 ,但对于坡型隧道等存在一 定角度的倾斜通道开口处 的中性面变化是相对复杂的,同时也是需要被重视 警 ?一, 的.为了对大倾角时隧道内火灾时两端开口中性面 :. 情况有所了解,本文利用文献中的缩比模型斜 式中: 为气体的密度; 为气流速度矢量; 为重力 通道流场实验结果结合数值模拟方法对倾斜通道开 加速度矢量; 为定压比热; 为气流温度; 为旋 口处的中性面变化进行了研究. 度张量; 为热传导率; 为体积热释放率; 为应力 实验和数值模拟场景设置 张量; 为气体常数. 湍流模型采用 亚格子模式的大涡模 . 实验研究 拟 模型, 常数取 . ;辐射热传递 两侧开口的斜通道净尺寸为 .× 采用类似于对流研究中采用的有限体积法 来 . × .,整个通道的倾斜角度为 求解;同时,在低马赫数条件下,为便于数值计算,近 图 ,热源为功率为 .的电热炉,放置 似将能量方程中的源项结合了散度限制方程中.所有 于通道底部中间位置, 电阻式热电偶对称分布在 的空间量采用二阶有限差分法离散,时间的微分项则 通道两端开口的竖直中心线上 图 ,通道倾 以显性二阶 .法离散化.至于方程 斜时热电偶树 在低端开口位置, 在高端开口位 式形式的总压力微分方程式则利用快速傅里叶转换 置.实验过程中环境温度在 ~ ?变化. 法直接求解. 根据搭建实验通道所用的材料将其边界条件的 密度、热传导率和比热分别设置为 / 。、 ./ 和 ./.为排除计算 边界对通道开口处的影响,将计算区域在通道两端 开口处沿 轴向通道外各延长 ..整个计算区 域采用规则化网格对整个计算区域进行网格划分, 划分密度为 × × : × × .整个计算倾斜通道 过程是在 . 软件上完成的. . 数值结果与实验值的比较整个倾斜通道的流场达到稳定状态时,不同倾 斜角度的通道横向中截面在两端开口处温度随高度 变化的数值模拟结果与实验值的比较如图 ~ 所 示.实验值是通过对第~ 次采样平均得到 的,数值解为通道流场达到稳定状态后,取计算结果 在一段时间内 温度的平均值.由图 ~ 可中截面开口处热电偶及热源分布 以看出,数值模拟结果与实验值相比,大部分的模拟 图 倾斜通道示意 结果与实验值吻合得较好,仅在个别位置的数值模. 拟结果比实验值偏低,这是受实验过程中复杂的边 . 数学模型及物理模型 界条件影响.所有测点处的温度值和实验值相对误 通道内的流场主要为热浮力驱动的低马赫数流 差均在 %以内,这表明上述采用的数值模拟方法 动过程,为对其进行准确的模拟,选择美国国家 能在一定程度上准确地模拟不同倾斜角度两端开口 与技术研究院 开发的数值软件 ? 通道在开口端面处的热流场.?。。“ 为平台对通道流场进行模拟,? 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 卷 . 皇 宣 童 . . . . 低端热电偶树 低端 热电偶树.. . . 鲁 . .. ..? ? 高端热电偶树 高端 热电偶树 图 。时通道开口温度 图。时通道开口温度. . 。 。 ?一 数值懈 ?实验值 . 吕 . ? . ? 低端 热电偶树 低端 热电偶树... 尝 .. ? ? 高端 热电偶树高端热电偶树 图。时通道开口温度 图 。时通道开口温度.. 。 。第 期 霍岩,等:通 道倾斜角度对开口中性面位置影响研究两端的开口处 速度随开口高度的变化呈 对称分布,通道开口中性面变化与分析 热空气通过两侧开口上端部分流出通道,冷空气通过 不同倾斜角度的通道流场达到稳定状态后,通 两侧开口下端流人通道,两侧 开口处的中性面的高度 道中截面在两端开口处沿 轴的速度 的计算结 也均为 . ;当 : 。时,通道低端和高端开口处 果在一段时间内 的平均值随开口高度变化 的中性面高度分别为 . 和 . ;由此可见,随 如图 所示. 着通道倾斜角度 的不断增大,通道两端开口的 速 度变化向非对称结构发展,通道低端开口中性面高度 逐渐升高,外界气体流人通道的截面积增大,而通道 高端开口的中性面高度逐渐降低,致使通道高端开口 处气体流出通道的截面积增大;这是由于随着通道倾 斜角度 的不断增大,热源上方的热气流受到通道顶 端阻挡后不再向两侧均匀流动,而是在热浮力的作用 下主要向通道高端开口流动,致使热气流通过低端开 口流出通道量逐渐减少.当 。时,通道低端开口 处已只有外界气体流入,但流速较低,中性面高度已 基本为通道开口高度,而此时通道高端开口处的中性面高度接近 ;当 。时, 通道低端开口处已经完全成为外界气体流人口,并且流速升高,通道高端开口处 主要以气体流出为主.。 , , ,一 低端开口 /,. 高端开口图 通道开口中性面高度随倾斜角度的变化.图 、 为倾斜角度。 和 。时的通道流场 一 低端开口 稳定状态时,选取通道两端开口在某一时刻的压力 高端开口 模拟结果.由图中可以看出,。时两端开口处的 压力分布比较规则,正压力区域全部集中在开口的 上部,开口下部压力为负,整个开口的正负压力分界 面 中性面 高度接近水平.当 为 。时, 端开口的压力已基本全部为负,并且整个开口的压力接近。 一 致,只在靠近角落处压力差略有升高,这意味着此 图 不同倾斜角度在通道开口中心的 速度沿 方向分布 时整个低端开口都以气体流入为主,并且流进通道.的气体流速趋于一致;高端开口上部压力为正的区 域面积增大,气流流出通道截面积增大,开口下部压 图 为通道开口处中性面高度日随倾斜角度 力很小,除个别位置有很小的负压外,其余部分的压 的变化 由图中可以看出,在倾斜角度时,左右 力均为 ,因此,此时开口在靠近下壁面的气体流速哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 卷 非常小并趋近于 .尽管 为 。时,在高端开口处 有个别区域表现出的压力正负分界比较混乱,其瞬 时中性面可能出现在开口处的多个位置,但从时间 平均结果来看,整个高端开口的中性面已接近 ,气 流基本以流出通道为主. 高端开口 . 图 。时开口处压力在截面上的分布.。 结 论低端开口 . 通过数值方法对倾斜角度为 。、 。、 。和 。 的倾斜通道内热流场进行了模拟并与实验值进行了 对比,同时对通道两端开口的流速与压力变化进行 了比较分析,得到如下相关结论: 采用的针对热浮力的模型在一定 程度上能准确模拟倾斜通道两端开口的热流场.随着倾斜角度增大,通道低端开口的中性面 高度逐渐上升,高端开口的中性面高度逐渐下降.通道倾斜角度为 。时,通道两端开口速度和 压力呈对称分布,中性面高度均为 . ,中性面下 部流进通道气体流速较小;在倾斜角度超过 。时, 低端开口中性面已升到开口的最上端,此时,在低端高端开口 . 开口处仅有外界气体流人通道;同时,由通道高端开 图 。时开口处压力 ?在 ? 截面上的分布 口流出的热空气截面积增大,在开口底部附近流速. ? 趋近于 ,尽管瞬时存在多个压力差为零的区域,但 。 时间平均表明整个高端开口处的气流以流出通道为 主,中性面高度基本下降到开口底部. 参考文献:, ,.? ., , : ? . , ,,,. ? ? . ? , , : ?. 下转第 页 低端开口.