基于三角剖分和高斯积分法的复杂表面热辐射计算

发布时间：2020-04-06 19:50

【摘要】：火灾事故频发给国家和人民带来严重的生命和财产损失,越来越受到人们的关注。而热辐射是火灾中热量传递的重要方式,对热辐射的研究具有极大意义。实际火灾场景中,热辐射发射物体和接收物体大多为形状复杂的形体,其表面也大多为不规则的平面甚至曲面。以往的热辐射计算方法往往精度较低且运算缓慢,本文应用基于高斯型积分公式的有限单元法进行复杂表面间的热辐射计算,不仅具有较高的计算精度,而且运算速度也非常快。本文充分采用了有限单元法的思想,将复杂表面的三角剖分与高斯积分法相结合,利用基于映射法的Delaunay三角剖分算法对复杂物体表面进行三角剖分,从而将整个表面间的热辐射计算转化为小三角形单元间的角系数计算,在大大降低计算难度的同时有效提升了计算精度。笔者应用高斯积分法对几种有理论解的热辐射模型进行验证计算,通过误差分析发现,除了有公共边存在情况下的辐射模型计算误差较大外,其余情况的误差均能保持在1%左右,且无论三角形剖分疏密,计算程序均能保证极高的运算速度,而且,对于有公共边存在情况下的垂直计算模型,通过采用三角剖分加密措施,可显著降低计算误差。从而证明了高斯积分法在计算复杂表面间热辐射角系数的高效性和精确性。为进一步模拟实际火灾场景,本文建立了空间中两个及以上的曲面辐射模型,并利用高斯积分法对其进行角系数计算,然后应用辐射换热公式求得热辐射值。结果表明,即使对于多个曲面间的复杂辐射模型,高斯积分法依然可以高效地对其进行热辐射计算,进一步证明了方法的稳定性和适用性。
【图文】：

电磁波谱

的本质自然界中广泛存在的一种辐射换热现象，在众多热辐射的本质其实是电磁波[46]。自然界中的所不同波长的电磁波。这些波长不同的电磁波有的穿透接触物体，有的则能产生不同程度的化学反种波段，如图 2-1 所示。其中波长小于 0.38μm从小到大依次是 γ 射线，X 射线和紫外m 之间的被称之为可见光；红外线的波长范围在电磁波一般称为无线电波。波长范围在 0.1μm~化成热能，即能对物体产生热效应，这部分电磁外线。常温下物体对四周发射的这一波长范围内因此又称这部分电磁波为热射线，我们所说的热热射线

模型图,绝对黑体,模型,黑体

的黑体一般是以人工方法制造的近似黑体。黑体辐射的基本定律包括普朗克定律、斯忒潘-玻尔兹曼定律和兰贝特定律，这些定律均是在黑体的基础上得出的，因而黑体在辐射换热理论中占有重要的地位。如图2-3所示，为一人工制造的黑体，，在空腔一处开一个小孔，空腔表面由不透明的吸收系数较高的材料制成，通过小孔进入空腔的辐射能 E 经过内壁的多次反射和吸收，最终经由小孔射出的辐射能 EF已经很少，与射入的辐射能 E 相比可近似为零，因而小孔可近似看做是一个黑体。图 2-3 绝对黑体模型Figure 2-3 Absolute blackbody model反射率为 1 即 F=1 的物体称为白体。与黑体相反，白体会将投射到其表面上的辐射能全部反射。这种反射包含镜反射和漫反射两种方式，如图 2-4 所示。图 2-4 镜反射和漫反射Figure 2-4 Mirror reflection and diffuse reflectionEEFnΘ1Θ2Θ1= Θ2（a）镜反射（b）漫反射
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X932

【参考文献】