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高效、高精度气体非灰辐射模型的研究

楚化强  
【摘要】:辐射换热常常是燃烧系统和各类火焰中主要的换热方式,因此引起了广泛的注意。热辐射为揭示各类状态提供了多种方式,如辐射检测信号等。然而,由于辐射强度一方面依赖于空间和角度影响,另一方面如H2O、CO2等气体的吸收系数随波数剧烈变化,这导致很难准确模拟辐射换热问题。自19世纪50年代,辐射模型的研究已经引起了各国学者的注意。最近20年,发展了各类精确、有效的气体非灰模型,但目前还有待提高模型对气体混合物、气固混合物的处理能力。所以,本文旨在进一步发展已有模型,提高计算精度和效率,并将其应用于燃烧模拟中。具体工作如下:本文首先基于统计窄谱带模型和统计窄谱带关联K模型,研究了水蒸气、二氧化碳和烟黑的辐射热源分布和光谱强度变化情况,同时考察烟黑颗粒对气体壁面热流的影响,得到了气体的平均普朗克吸收系数。基于各个版本的气体谱线数据库,采用逐线法考察了一维平行平板间气体辐射换热情况。针对不同介质浓度和温度分布,考察各个数据库的性能。同时,也采用了统计窄谱带模型,通过逐线法结果来检验统计窄谱带模型谱带参数的准确性。研究显示,光谱数据库的选择对逐线法精度的影响很大。研究还显示,不论是辐射热源还是壁面热流,统计窄谱带模型计算结果都与基于HITEMP2010数据库的逐线法结果吻合的非常好。将逐线法和统计窄谱带关联K模型结合离散坐标法应用到二维含有边界的气体介质的辐射传递过程求解。发展了二维矩形区域基准解,并为多维系统中统计窄谱带关联K模型的可用性提供依据。基于最新光谱数据库,首次得到了水蒸气和二氧化碳的吸收线黑体分布数据库。利用该数据库,将本征正交分解(POD)法应用到气体辐射参数求取中,另外还提出了一个全新的双曲线关联式(HC)。基于此,发展POD-SLW模型。发展逐线法求取窄谱带透射率,进一步检验统计窄谱带模型的准确度;发展逐线法和统计窄谱带模型关于普朗克平均吸收系数新公式,纠正以往文献中的错误解,并将其应用到二维轴对称扩散火焰模拟中,考察辐射在不同重力加速度下对火焰结构、烟黑形成的影响。综上所述,本文发展的统计窄谱带模型、逐线法,为高温气体辐射特性计算及辐射传递的数值模拟提供了一种灵活、有效的方法。


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