基于全光谱k分布模型的辐射换热计算方法

发布时间：2017-11-05 04:00

  本文关键词：基于全光谱k分布模型的辐射换热计算方法

  更多相关文章： 辐射换热 全光谱k分布 光子蒙特卡洛 辐射性气体 烟炱 非均相介质

【摘要】：在高温氧化反应过程中,辐射换热是最重要的传热方式,并且与湍流、燃烧等物理化学过程紧密耦合。因此,准确地预测辐射换热变得尤为关键。然而不同于其它传热方式,辐射换热是一个包含有介质间辐射能发射、吸收、散射、透射和反射的复杂过程,并且介质本身的辐射特性又会表现出强烈的光谱选择性,这些无一例外都增加了对辐射换热进行精确计算的复杂程度,于是出现了各种近似的模型和方法来简化辐射换热的分析计算。在这些模型中,全光谱k分布(FSK)模型由于其优异的计算性能而成为了最具有应用前景的辐射换热分析模型,但是该模型仍然存在一些亟待解决的应用问题,如在非均相介质中精度不高,k分布的混合效率低下等。因此,论文以FSK模型为核心,重点研究存在辐射吸收性介质的辐射换热过程,旨在建立高效高精度的辐射换热模型与计算方法。首先,基于FSK模型的理论原理,论文重点研究了求积方法和求积节点数对该模型计算精度的影响,并分别在不同的非灰气体工况下分析了一维平行平板间介质的辐射源项,同时应用三种不同的高斯型求积方法进行求解,所得结果与逐线法进行了对比。结果表明,FSK模型的计算精度不受高斯型求积方法类型的影响,当求积节点数大于或等于16时,应用论文中提到的任何三种高斯型求积方法之一都会获得满意精度的解。其次,论文构建了不同状态下以CO_2、H_2O和CO三种辐射吸收性介质为主的气体全光谱检索库。其中,混合气体的k分布直接由三种气体的线性吸收系数和求得,避免了k分布的直接混合,节省了大量的计算时间。论文全面地介绍了生成检索库的方法,包括基于压力的吸收系数的生成和k分布的生成。气体全光谱检索库应用了六维线性插值来高效准确地获取任一状态下混合气体的辐射吸收特性。为了验证所构建的气体全光谱检索库的准确性,论文对大量的辐射换热算例进行了考核计算。结果表明,和基准解逐线法相比,气体全光谱检索库完全可以满足辐射换热的计算精度要求并且计算效率显著提升。再次,由于在大多数燃烧过程中不可避免地会生成具有强烈辐射吸收特性的烟炱,而气体-烟炱混合物的全光谱k分布无法直接由气体全光谱k分布得到,因此气体全光谱检索库无法应用在气体-烟炱混合物中而使其应用受到了极大的限制。为了解决这一弊端,论文在已构建的气体全光谱检索库的基础上,增加了一个烟炱体积分数并对该检索库进行了完善优化,构建了全新的气体-烟炱全光谱检索库。该检索库的验证是通过对两个不同的火焰进行辐射换热校核,计算结果表明无论对于气体混合物还是气体-烟炱混合物,与逐线法获得的基准解相比,使用全新的气体-烟炱全光谱检索库可高效地得到精确的计算结果。在研究过程中发现,全光谱k分布的k值取值范围覆盖若干数量级,通常可以从10-10量级变化至102量级,如此剧烈的变化极大地增加了对k分布进行精确积分的难度。一般情况下,不同的求积方法均会在计算k分布积分时产生一定的误差;虽然伴随着求积节点数的增加,误差会渐趋减小,但计算时间也会相应地增加。论文通过对求积节点进行坐标变换,在求积节点数不增加的前提下,有效地提升了全光谱k分布模型的计算精度。为此,论文对已开发的全光谱检索库进行了更新,将对应于变换后求积节点的k值也存入了检索库。最后,为了解决目前全光谱k分布模型与光子蒙特卡洛法结合的辐射求解算法(FSK/PMC)所存在的弊端,包括随机数数据库需要根据参考状态来构建以及应用于非均相介质环境中可能会产生较大的误差,论文提出了两种不同的随机数关系式用来决定光束追踪过程中的光谱变量和k值,并构建了气体-烟炱随机数数据库(包含CO_2,H_2O,CO和烟炱)。应用不同的随机数关系式,论文使用FSK/PMC求解算法并结合随机数数据库和全光谱检索库计算了两个缩放火焰的辐射源项。结果表明,虽然FSK/PMC的计算效率并没有提升(这主要是由蒙特卡洛法自身的机理所决定),但论文提出的任意一种随机数关系式均可以使FSK/PMC求解算法在非均相介质中获得较高的计算精度,因此也进一步拓展了 FSK模型的应用范围。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124

【相似文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 王超俊;基于全光谱k分布模型的辐射换热计算方法[D];北京交通大学;2016年

，

本文编号：1142482