加热炉内辐射换热.docx

这些模型在模拟精度、合理性和经济性上各有 不同特点，但在实际应用中如何寻找一种既合理而又经济的模型，也是值得注意 的问题求解辐射问题的所有方法赖以建立的基础都是辐射能量传递方程辐射能量 传递方程表示在方向微元控制体积内，微元立体角上辐射能量的守恒其左侧代 表给定方向上辐射强度的梯度，右侧各项依次代表介质由于吸收和向外散射、自 身发射以及由其他方向入射散射所引起的辐射强度的变化由于上式为复杂的积 分-微分方程，求解较为困难，因此通常根据具体情况采用以下几种近似方法来 处理，可以得到一些简化结果讨论辐射换热一定要先对灰体介质近似法有一个充分的了解灰体介质近似 即假设介质的吸收系数和散射系数都与波长无关，这样大大简化了计算的复杂度， 但同时也大大降低了计算的准确度虽然这种近似不太符合物理事实，但至少可 以作为分析非灰介质的基础在工程计算中常采用此法，一方面是为了简化工程 计算；另一方面是由于缺乏各种材料表面辐射特性随波长变化的资料，故把整个 气体介质作为灰体处理，不考虑气体辐射特性随波长的变化(即不考虑气体的选 择性吸收和发射特性)，而只考虑其随温度的变化该方法简单易行，但较粗糙， 不够准确。

当参与辐射的介质中有大量颗粒而使气体辐射特性产生的影响很小时， 可采用该方法另外还有谱带近似法即假设介质在一些特定的波长范围内是灰体例如二氧 化碳气体在红外线范围内有三个比较重要的吸收一发射谱带(2.65〜2.80， 4.15〜4.45, 13.0〜17.0 m)，按照谱带近似法，可假设在每个谱带内各有一 个不变的平均吸收系数，而在这三个谱带之外，认为这种气体是透明的FDS的 改进版4中就引入了谱带近似法来模拟建筑物发生火灾时的辐射情况一般取6 个谱带，当燃料的吸收谱带也要考虑时，谱带数可增加到10个加热炉燃气火焰一般来说是不发光的透明火焰，主要靠烟气中的二氧化碳、 水蒸气等气体介质在高温下辐射.气体不但能够发射和吸收热辐射，而且也具有 微弱的散射作用.在工业设备的尺度范围内，散射作用往往被忽略不计.但在碳 氢化合物的热分解历程中，在分解区内发生着碳氢化合物的脱氢过程和碳原子的 积聚过程，生成相当多固体碳粒.这些碳粒燃烧时，呈现出明亮的淡黄色的火焰， 这是碳氢化合物在扩散燃烧时的一个特征［1 ］.可见，加热炉内除了高温烟气 中的三原子气体参与辐射换热外，弥散在空间的悬浮碳粒，通过对辐射能的吸收、 发射和散射参与换热过程.本文从辐射换热网络分析法［2 ］出发，以各向同性 散射灰体［3 -6 ］参与介质的加热炉封闭体系为研究对象，模拟研究了加热炉在 正常热平衡情况下，介质的散射作用对辐射热交换的影响。

研究加热炉内辐射换热首先就是要构建辐射换热模型常用的有以下几种： 区域法、热通量法、蒙特卡洛法、球形谐波法、离散传递法等其中区域法是迄今为止在燃烧室模拟中应用最广泛的模型之一用区域法 进行研究时，把燃烧室分割为若干容积区域（此处为气体）和表面区域，这些区 域都很小，以至可以将每一区域中的当地温度和其他物理特性看成是均匀的区 域与区域之间的总辐射热流取决于总的交换面积，因此需要计算燃烧室内所有区 域两两之间体现辐射热交换的直接交换面积，并由此计算出相应的全交换面积 区域的尺寸和形状取决于工业炉膛的形状针对每个区域可以写出辐射能量平衡 方程式，这样就会形成一组有关未知温度或热流的瞬态方程组，通过解总能量平 衡方程就可以求出每个区域的温度或热流当然，对总的能量平衡而言，还要考 虑其他形式的能量输运，例如对流、扩散以及由于燃烧放热造成的气体质量流动 等用区域法计算辐射换热在原理上是较好的，但是计算工作量很大，很费时间， 不宜把燃烧室分成很多区域所以区域法常用来计算燃烧室几何形状不是很复杂， 而且火焰温度变化也不很剧烈，因而容积区域和表面区域可以划分得较少的辐射 换热问题由于到目前为止，只有少数几种情况存在一维或二维的精确解，因此 区域法仍是作为最精确的数学模型用以考核其他方法的精度。

热通量法基于对辐射强度在空间的角向变化作某些简化的假定由于这些 假定，精确的积分-微分辐射传递方程可以化简为一组近似的偏微分方程蒙特卡洛法又称概率模拟法，或抽样统计法，就是用概率论的原理来模拟 随机过程，用以求解复杂的数学方程它是一种处理复杂边界、参与介质各向异 性最有效的方法离散传递法是把体积微元向周围的热辐射均匀地分配在每个空间角内，每个空间角的大小为也，每份辐射能为It=^各辐射能沿能束线向外发射，沿途 Nt Nt逐步被周围的介质所吸收DTM辐射模型的主要假设是用单一的（辐射）射线 代替从辐射表面沿某个立体角的所有辐射效应用离散传递法作辐射换热的数值 计算，不必直接计算多重积分，沿一个空间角的中心线形成一个能束，它的辐射 能为Nt只要离散能束数尽量取得多些，效果就接近空间多重积分运算但是为了 计算更加精确而把Nt值取得很大时，其运算工作量也就十分可观了该模型的计 算精度主要由所跟踪射线的数目以及计算网格密度决定离散坐标法是Chandrasekhar研究一维天体物理问题时首先提出的模型求 解的是从有限个立体角发出的辐射传播方程，每个立体角对应着坐标系（笛卡儿） 下的固定方向立体角的离散精度有点类似于DTRM模型中的射线数目，但与 其不同的是，DO模型并不进行射线跟踪，相反，DO模型把方程（1）转化为 空间坐标系下辐射强度的输运方程，便于同一般输运方程耦合求解综上所述，区域法由于计算工作量很大，不宜把燃烧室分成很多区域，影响 了基本能量方程数值求解的精确和方便，但区域法直接对辐射换热作积分运算， 原理较好，因此它仍然是检验其他方法精确与否的标准。

热通量法计算辐射换热 较为方便，它回避了积分运算，转化为单一的微分运算，把微元体和周围的复杂 辐射换热简化为几个沿坐标轴方向的辐射热流该方法虽然便于把燃烧室划分为 很多个微元体来进行运算，但是在辐射换热的简化原理上不够完善，会引起相当 大的误差。