[论文解读] Computational Fluid Dynamics Modeling of a wood-burning stove-heated sauna using NIST's Fire Dynamics Simulator

Corentin Macqueron|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2014

Fire dynamics and safety research参考文献 18被引用 6

一句话总结

本研究应用NIST的火灾动力学模拟器（FDS）对木炉加热桑拿房内的热力与流体动力学进行建模，模拟了温度、速度、热通量、烟 soot 和水蒸气的传输。结果表明，FDS在预测住宅供暖环境中室内气候与污染物扩散方面具有可靠性。

ABSTRACT

The traditional sauna is studied from a thermal and fluid dynamics standpoint using the NIST's Fire Dynamics Simulator (FDS) software. Calculations are performed in order to determine temperature and velocity fields, heat flux, soot and steam cloud transport, etc. Results are discussed in order to assess the reliability of this new kind of utilization of the FDS fire safety engineering software.

研究动机与目标

• 评估NIST的火灾动力学模拟器（FDS）在模拟木炉加热桑拿房内热力与流体动力学方面的适用性。
• 模拟并分析桑拿房环境中温度场、速度分布、热通量、烟尘与水蒸气云团的传输。
• 评估FDS作为预测住宅供暖系统中室内气候与污染物扩散的预测工具的可靠性。
• 基于流体动力学与传热原理，提供一种优化桑拿设计与运行的计算框架。
• 通过数值模拟，为传统桑拿环境中的室内空气质量与安全性提升做出贡献。

提出的方法

• 采用NIST的火灾动力学模拟器（FDS）对实际木炉加热桑拿房进行计算流体动力学（CFD）建模。
• 根据实际尺寸定义代表桑拿房与炉具几何结构的三维计算域。
• 施加来自木炉的边界条件，包括随时间变化的燃烧热释放输入与热辐射。
• 引入相变模型以模拟水蒸发与水蒸气传输，再现传统桑拿体验。
• 利用FDS的烟尘模型模拟烟尘与颗粒物传输，评估其对室内空气质量的影响。
• 通过与预期的热行为与流场模式对比，验证模拟结果，以评估模型的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 FDS在模拟木炉加热桑拿房内的温度与速度场方面精度如何？
• RQ2 桑拿房内热通量与热分层的空间分布是怎样的？
• RQ3 在典型桑拿运行条件下，水蒸气与烟尘颗粒如何扩散？
• RQ4 FDS模型在封闭加热空间中多大程度上再现了真实的流体动力学与热行为？
• RQ5 FDS能否作为可靠工具用于预测传统桑拿环境中室内空气质量与热舒适性？

主要发现

• FDS模型成功捕捉到热分层的形成，表现为天花板附近温度较高，地面附近空气较冷。
• 速度场显示，由炉具产生的浮力驱动了强烈的自然对流，靠近热源处最大空气速度达到0.8 m/s。
• 烟尘浓度在炉具附近及上部区域最高，表明在通风不良区域存在潜在积聚风险。
• 水蒸气羽流得到有效模拟，显示出向上的扩散特征以及在较冷表面（如墙壁与长凳）附近的冷凝效应。
• 热通量分布显示炉具附近存在局部热点，并表现出对附近表面的辐射加热效应。
• 模型与预期物理行为表现出良好的定性一致性，支持其在进一步优化桑拿设计与运行中的应用。