CFD模拟中的气体辐射换热计算研究

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在工业生产中,辐射换热通常是气缸、燃烧室、炉膛等燃烧设备中的主要的换热方式之一。燃烧室里是高温高压的燃烧气体,存在辐射换热和对流换热;对于大型的燃烧设备,辐射换热往往占主导地位。精确地模拟燃烧室内的气体辐射换热对燃烧室内总的热平衡和燃烧室局部过热分析至关重要。同样,随着航天、军工等信息技术的发展,火箭尾喷焰探测、目标红外的捕捉、飞行器的热防护设计等使得气体辐射的研究越来越重要。因此准确而有效的计算气体辐射换热对诸多工程和研究领域都非常重要。然而,由于热辐射强度一方面空间上随位置和角度变化;一方面,水蒸气、二氧化碳等极性分子气体不像固体那样发射随波长连续变化的辐射,而是依赖于波长,选择性吸收和发射热辐射;从而导致精确模拟气体辐射换热的难度加大。  现阶段气体辐射换热的计算方法主要有实验法和光谱法。由于高温高压条件下,实验成本非常高,同时实验结果易受实验设备的影响,使得高温实验的进行有一定难度。CFD数值模拟发展多年,已经广泛应用于工业及科学领域,其精度已经能够全部或部分取代实验。气体辐射不同于其它物质的关键之处在于气体辐射具有很强的光谱选择性,吸收发射的光谱主要集中在一些特定的波长间隔(带)内。整个热辐射光谱范围内有数万个波数,根据波数范围可以分成多个谱带,谱带内则集中了成千上万根谱线。同时准确地计算气体辐射换热需要高分辨率的光谱辐射特性参数(主要包括谱线强度、谱线位置、谱线形状以及谱线半宽)。于是在CFD计算中采用精确的谱带模型法的计算量非常大,且过于费时。本文针对气体辐射的研究主要采用以下两种方法:1、统计窄带SNB模型;2、灰体辐射近似法。方法2为常规的灰体辐射假设,不过灰体辐射系数不是一个常数,而是气体组分、温度和燃烧设备几何的函数。通过CFD软件的用户子程序来计算这个辐射系数。基于实验所得并公开发表的气体发射率而编制的灰体吸收系数子程序。分别用以上两种方法对气体辐射换热工况进行分析并将结果与公开发表的文献数据进行验证与校核。
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