سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

بررسی جریان القایی در هنگام آتش سوزی در مجاورت دیوار عمودی آتش گیر به روش شبیه سازی گردابه های بزرگ

نویسندگان
هادی پاسدار شهری
قاسم حیدری نژاد
کیومرث مظاهری
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس ، تهران، ایران
چکیده
در این مقاله، رفتار نوسانی و متوسط زمانی آتش سوزی در مجاورت دیوار عمودی و جریان القایی آن در حالت سه بعدی و ناپایا به روش شبیه سازی گردابه های بزرگ بررسی شده است. به منظور افزایش دقت محاسبه لزجت اغتشاشی، از مدل یک معادله ای برای اعمال اثرات زیرشبکه استفاده شده است. مدل سازی احتراق بر مبنای احتراق غیر پیش آمیخته و با استفاده از مدل اصلاح شده اتلاف گردابه برای روش شبیه سازی گردابه های بزرگ و مدل سازی تابش به روش جهات گسسته صورت گرفته است. دو میزان نرخ حرارت آزادشده 36 و 54 کیلووات در حالت بزرگ مقیاس ارزیابی شده است. مقایسه مقادیر متوسط زمانی دما و سرعت حاصل از مطالعه حاضر با نتایج تجربی نشان می دهد که روش استفاده شده تغییرات دما و سرعت را در مجاورت دیوار با تخمین قابل قبولی محاسبه می کند، اما به طور کلی در فواصل نزدیک به دیوار خطای تخمین دما و سرعت افزایش می یابد. بررسی رفتار نوسانی آتش نشان می دهد که دامنه تغییرات سرعت عمودی لحظه ای با دورشدن از دیوار در راستای عمود بر آن کاهش می یابد. علاوه بر آن، شدت نوسانات در راستای موازی با دیوار با دورترشدن از ناحیه تشکیل شعله به شکل قابل ملاحظه ای افزایش می یابد.

تازه های تحقیق

آتش­سوزی در مجاورت دیوار و جریان القایی حاصل از آن، به­دلیل اثرات مستقیم بر سازه و افزایش دمای آن، می­تواند موجب تخریب سازه شود. به همین دلیل، این موضوع به­لحاظ ایمنی از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. رفتار آتش در مجاورت دیوار عمودی به روش شبیه­سازی گردابه­های بزرگ و با مدل زیرشبکه یک­معادله­ای بررسی شد. از مدل اصلاح­شده اتلاف گردابه در روش شبیه­سازی گردابه­های بزرگ و نیز جهات گسسته برای احتراق و تابش محصولات احتراق استفاده شد. شبیه­سازی       سه­بعدی جریان آتش­سوزی در مجاورت دیوار آتش­گیر برای دو مقدار نرخ حرارت آزادشده 36 و 54 کیلووات حاصل از سوختن پروپان صورت گرفت. مقایسه نتایج متوسط­گیری زمانی سرعت و دما نشان می­دهد که مدل استفاده­شده دقت قابل قبولی در پیش­بینی رفتار جریان القایی آتش دارد. به­طور کلی، دما و سرعت متوسط جریان در مجاورت دیوار بیشتر از مقادیر تجربی تخمین زده می­شود. اما، با فاصله گرفتن از دیوار آتش­گیر، دقت مدل در پیش‏بینی این کمیت­ها افزایش می­یابد. بررسی­های کمّی و کیفی نشان می­دهد که رفتار توده حرارتی و جریان شناوری ایجادشده در زمان آتش­سوزی در مجاورت دیوار کاملا نوسانی است. دامنه تغییرات نوسانی مقدار سرعت لحظه­ای عمودی جریان، در راستای عمود بر صفحه (که مهم­ترین عامل اثرپذیر از گردابه­های باروکلینیک است) و با دورشدن از آن کاهش می­یابد. از سوی دیگر، با دورشدن از ناحیه ورودی سوخت در راستای موازی با صفحه، میزان نوسانات سرعت شدیدتر می­شود. این تشدید نوسانات متاثر از تشکیل گردابه­های کوچک در بستر جریان شناوری و ادغام­شدن آن به هنگام حرکت به سمت بالا در اثر نیروهای شناوری است. رفتار نوسانی سرعت موجب عدم تقارن دمایی در ارتفاع‏های مختلف دیوار و تشکیل نواحی دمابالا در نقاط مختلف در هنگام آتش­سوزی در مجاورت دیوار می­شود. درنهایت مقایسه رفتار متوسط­گیری شده دما نشان می­دهد که افزایش نرخ حرارت آزادشده آتش تاثیر چندانی در عرض ناحیه دمابالا در مجاورت دیوار ندارد.

کلیدواژه‌ها
شبیه سازی گردابه های بزرگ
مدل یک معادله ای
آتش سوزی دیوار عمودی
جریان القایی آتش

عنوان مقاله English

Large Eddy Simulation of Fire-induced Flow behind a Combustible Vertical Wall

نویسندگان English

Hadi Pasdarshahri
Ghasem Heidarinejad
Kiumars Mazaheri
Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

Large eddy simulation (LES) is performed to investigate oscillation behavior and time-averaged values of the fire behind a vertical wall. One-Equation sub-grid scale (SGS) model is used for turbulent closure. The combustion is assumed to be non-premixed. Also, modified eddy dissipation concept (EDC) and discrete ordinate methods (DOM) are used for incorporating combustion and radiation, respectively. The models are applied for the total heat release rate (HRR) of 36 kW and 54 kW. The numerical results are validated against experimental measurements. The time-averaged temperature and velocity are in a good agreement with the experiments. Generally, the accuracy of the predictions reduces considerably near the wall surface. The oscillating behaviorsof the simulated quantities show the three-dimensional and asymmetric nature of the induced flow.In addition, the amplitude of the vertical velocity fluctuation reduces with increase in normal distance from the vertical wall. This fluctuation increases with increase in the height from the area where the fuel is burning.

کلیدواژه‌ها English

Large Eddy Simulation
One-equation
Fire-induced flow
Vertical wall fire
1.     D. Drysdale, An Introduction to Fire Dynamics, New York, Wiley, 1999.
2.     F. Tang, L. H. Hua, M. A. Delichatsios, K. H. Lu and W. Zhu, “Experimental Study on Flame Height and Temperature Profile of Buoyant Window Spill Plume from an under-Ventilated Compartment Fire,” International Journal of Heat and Mass Transfer, 55, 2012, pp. 93-101.
3.     K. Saito, J. G. Quintiere and F. A. Williams, “Upward Turbulent Flame Spread,” Fire Safety Science-Proceedings of the First International Symposium, 1985, pp. 75-86.
4.     F. W. Mowrer and R. B. Williamson, “Flame Spread Evaluation for Thin Interior Finish Materials,” Fire Safety Science Proceedings of the Third International Symposium, 1991, pp. 689-698.
5.     M. M. Delichatsios, M. K. Mathews and M. A. Delichatsios, “An Upward Fire Spread and Growth Simulation,” Fire Safety Science Proceedings of the Third International Symposium, 1991, pp. 207-216.
6.     M. Anderson and C. McKeever, “An Experimental Study of Upward Flame Spread on Cellulosic Materials,” Proceedings of the Seventh International Fire Safety and Engineering Conference INTERFLAM’96, 1996, pp. 169-178.
7.     M. Kokkala, D. Baroudi and W. J. Parker, “Upward Flame Spread on Wooden Surface Products: Experiments and Numerical Modeling,” Fire Safety Science Proceedings of the Fifth International Symposium, 1997, pp. 309-320.
8.     C. Qian and K. Saito, “An Empirical Model for Upward Flame Spread Over Vertical Flat and Corner Walls,” Fire Safety Science Proceedings of the Fifth International Symposium, 1997, pp.285-296.
9.     J. G. Quintiere, “An Approach to Modeling Wall Fire Spread in a Room,” Fire Safety Journal, 3, 1981, pp. 201-214.
10.  M. A. Delichatsios, “A Simple algebraic model for turbulent wall fires,” Twenty-first Symposium (International) on Combustion/The Combustion Institute, 1986, pp. 53-64.
11.  K. C Tsai and D. Drysdale, “Upward Flame Spread: Heat Transfer to the Unburned Surface,” Proceedings of the 7th Symposium of IAFSS, 2001, pp. 117-128.
12.  K. C. Tsai and F. S. Wan, “Upward Flame Spread: The Width Effect,” Proceedings of the 8th Symposium of IAFSS, 2005, pp. 409-420.
13.   A. S. Rangwala, S. G. Buckley and J. Torero, “Upward Flame Spread on a Vertically Oriented Fuel Surface: the Effect of Finite Width,” Proceedings of the 31st Symposium (International) on Combustion, 2007, pp. 2607-2615.
14.  H. Y. Wang, P. Joulain and J. M. Most, “Modeling on Burning of Large-Scale Vertical Parallel Surfaces with Fire-Induced Flow,” Fire Safety Journal, 32, 1999, pp. 241-271.
15.  H. Y. Wang, M. Coutin and J. M. Most, “Large-Eddy-Simulation of Buoyancy-Driven Fire Propagation Behind a Pyrolysis Zone Along a Vertical Wall,” Fire Safety Journal, 37, 2002, pp. 259-285.
16.  M. Coutin, J. M. Most and M. A. Delichatsios, “Flame Heights in Wall Fires: Effects of Width, Confinement and Pyrolysis Length,” Fire Safety Science Proceedings of the Sixth International Symposium, 1999, pp 729-740.
17.  H. Pasdarshahri, G. Heidarinejad, K. Mazaheri, “On the Comparison of Sub-Grid Scale Models in Simulation of Large Scale Pool Fire Using Large Eddy Simulation,” Proceeding of the 4th Fuel and Combustion Conference of Iran, 8-9 February 2012, Kashan, Iran. (in Farsi)
18.  S. C. P. Cheung and G. H. Yeoh, “A Fully-Coupled Simulation of Vortical Structures in a Large-Scale Buoyant Pool Fire”, International Journal of Thermal Science, 48, 2009, pp. 2187-2202.
19.  S. C. P. Cheung, G. H. Yeoh, A. L. K. Cheung and R. K. K. Yuen, “Flickering Behaviour of Turbulent Buoyant Fires using Large-Eddy Simulation,” Numerical Heat Transfer Part A, 52, 2007, pp. 679-712.
20.  G. H. Yeoh and K. K. Yuen, Computational fluid dynamics in fire engineering, Elsevier Inc., 2009.
21.  Z. B. Chen, J. X. Wen, B. P. Xu and S. Dembele, “Large Eddy Simulation of Fire Dynamics with the Improved Eddy Dissipation Concept,” Fire Safety Science, 10, 2011, pp. 195-808.
22.  Z. B. Chen, J. X. Wen, B. P. Xu and S. Dembele, “The Extension of Eddy Dissipation Concept to the Framework of Large Eddy Simulation,” 3rd FM Global Open Source CFD Fire Modeling Workshop, Norwood, MA, USA, May 2011.
23.  M. Modest, Radiative Heat Transfer, 2nd Edition, Academic Press, San Diego, 2003.
24.  Y. Wang, P. Chatterjee and J. L. de Ris, “Large Eddy Simulation of Fire Plumes,” Proceeding of Combustion Institute, 33, 2011, pp. 2473-2480.
25.  Y. Wang, K. Meredith, P. Chatterjee, N. Krishnamoorthy, X. Zhou and S. Dorofeev, “Status of FireFOAM Development and Future Plan,” 3rd FM Global Open Source CFD Fire Modeling Workshop, Norwood, MA, USA, May 2011.
26.  K. B. McGrattan, H. R. Baum and R. G. Rehm, “Large Eddy Simulations of Smoke Movement,” Fire Safety Journal, 1998, pp. 30-161.
27.  C. P. Cheung, Modelling of Building Fires Coupled with Turbulent, Combustion, Soot Chemistry and Radiation Effects, PhD Dissertation, University of Hong Kong, Jan. 2006.
28.  S. B. Pope, Turbulent Flows, First Edition, Cambridge University Press, Cambridge, 2000.
29.  I. B. Celik, Z. N. Cehreli and I. Yavuz, “Index of Resolution Quality for Large Eddy Simulations,” Journal of Fluids Engineering, 127, 2005, pp. 949-958.
30.  A. Kempf, R. P. Lindstedt and J. Janicka, “Large-Eddy Simulation of a Bluff-Body Stabilized Nonpremixed Flame,” Combustion and Flame, 144, 2006, pp. 170-189.