Побољшање ЦФД модела развоја пожара у тунелу на основу експерименталних података

Abstract

У овој дисертацији, посвећеној проблематици математичког описивања процеса развоја пожара у тунелу коришћењем експерименталних података, приказан је поступак кориговања пакета ЦФД (CFD) модела, у делу који се односи на дефинисање граничних услова за горуће површине. Кориговањем комплексног пакета CFD модела, који се састоји од спрегнутих „ k  “ модела турбулентних напона, модела великих вртлога, модела топлотног зрачења - тзв. модел дискретних ордината и модела сагоревања - тзв. модела устаљених ламинарних пламенова, омогућено је да се тачније опишу и предвиде збивања процеса сагоревања, која се остварују при овој врсти сложеног, неизотропног и турбулентног струјања гасова у тунелу. Детаљном анализим и поређењем експериметалних и нумерчких резултата, кроз сагледавање физичке суштине свих процеса који утичу на сагоревање, уочено је да основни пакет ЦФД модела, процес сагоревања нумерички поједностављено своди на процес мешања, а без могућности да обухвати појаву локалног недостака кисеоника, тј. моделира готово непосредну зависност између процеса мешња гасова и ослобођене количине топлоте у процесу сагоревања. Корекцијом модела у делу дефинисања граничниог услова за горућу површ, успостављањем директне корелације између измерене вредности брзине промене масе горива и ослобођене количине топлоте са горуће површине, избегнуто је не само улажење у сложене стехиометриске процесе сагоревања, него и избегнут потенцијано могући недостатак стандарног ЦФД пакета модела. Иако се основана разлика у квалитету предвиђања основног и унапређеног модела може најпрегледније сагледати спровођењем престављеног „ 2  “теста, квaлитативно значaјно побољшање уочљиво је и кроз непосредно поређење промене температуре гасова на мерним местима изнад и низводно од пламена. Уочљиво је да промена температуре гасова у коригованом моделу, на само изражено у бројним вредностима, него и по карактеру криве, даје далеко боља предвиђања од основног модела. VII

This doctoral thesis, presenting problems of mathematical description of the tunnel fire development process with the use of experimental data, outlines the procedure of correction of CFD models package, in the section pertaining to definition of the boundary conditions for burning surfaces. The correction of the complex package of CFD models, comprising coupled „ k  “ models of turbulent flows, large eddie simulation model, thermal radiation model of discrete ordinates and steady laminar flamelet model of combustion enables more detailed interpretation and prediction of the burning process effects occurring during this type of complex, non-isotropic and turbulent flow of gases in tunnel. Detailed analysis and comparison of experimental and numerical results, through consideration of the physical structure of all processes affecting combustion, indicates that basic package of CFD models reduces the burning process to mixing process by numerical simplication, without possibility of including the occurrence of local lack of oxygen, i.e., modelling almost direct correlation between the process of mixing gasses and the heat release rate in the burning process. Correction of model in the section pertaining to definition of boundary condition for burning surface, by establishing direct correlation of the measured value of the speed of change of the fuel masses and amount of released heat from the burning surface, helped to avoid not only involvement with complex stoichiometic process of burning, but also potential imperfection of standard CFD modelling package. Although the established difference in the quality of the prediction of the basic and improved model can best be presented by implementation of the presented „ 2  “ test, qualitatively significant improvement is also evident through direct comparison of changes of temperature of gases at the measuring points above and downstream from the flame. It is indicative that change of temperature of gases in corrected model, expressed not only in numerical values but also by the curve character, provides much better predictions than basic model. IX