通道內(nèi)熱輻射與湍流強制對流的耦合換熱研究.pdf

1、熱輻射與對流換熱是熱量傳遞的兩種基本方式。在涉及高溫或熱輻射的許多工程技術(shù)領(lǐng)域，熱輻射與對流換熱往往同時存在、相互影響，形成所謂的輻射與對流耦合換熱。這種復(fù)雜的耦合換熱通常在相關(guān)物理過程或設(shè)備運行中起著重要作用。 由于輻射與對流耦合換熱不僅涉及熱輻射、對流換熱兩種基本傳熱方式的相互作用，而且涉及傳熱、流動、傳質(zhì)等幾種物理過程的耦合，其過程機制、特性規(guī)律與影響因素復(fù)雜多樣。目前，對輻射與對流耦合換熱問題的研究還不夠充分，尤其缺乏對

2、變物性介質(zhì)耦合換熱特性的認識。因此，深入研究這種復(fù)雜的耦合換熱過程，不僅是相關(guān)工程技術(shù)發(fā)展的需要，而且對豐富和發(fā)展傳熱學(xué)理論有重要意義。 本文以認識通道內(nèi)熱輻射與湍流強制對流的耦合換熱特性為目標，重點分析介質(zhì)非均勻性對熱輻射傳輸與耦合換熱過程的影響。在對介質(zhì)內(nèi)熱輻射傳輸求解方法進行研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法，研究通道內(nèi)變物性參與性介質(zhì)流、兩種介質(zhì)摻混流、變物性透明氣流三類不同的輻射與湍流強制對流耦合換熱問題。 主要研

3、究內(nèi)容包括以下四個方面： 1.介質(zhì)內(nèi)熱輻射傳輸求解方法的研究。通過分析比較，選擇采用蒙特卡羅法進行耦合換熱中的輻射換熱求解。為提高蒙特卡羅法的計算效率，開展了統(tǒng)計方法與抽樣模式研究，提出了雙向統(tǒng)計蒙特卡羅法(BSMC)與等溫等權(quán)抽樣模式，前者提高了計算效率，后者消除了因抽樣能束的能量不同而產(chǎn)生的熱流統(tǒng)計誤差。提出了求解散射性一維梯度折射率介質(zhì)內(nèi)熱輻射傳輸?shù)膹澢渚€蒙特卡羅法(CRMC)，并將CRMC法與計算域坐標轉(zhuǎn)換相結(jié)合，擴展

4、應(yīng)用于二維梯度折射率介質(zhì)內(nèi)的熱輻射求解，為進一步的非均勻性耦合換熱研究提供了數(shù)值技術(shù)手段。 2.圓管通道內(nèi)變物性介質(zhì)熱輻射與湍流正在發(fā)展流耦合換熱特性的研究。采用控制容積法結(jié)合蒙特卡羅法，對定壁溫加熱、定熱流加熱、對流冷卻三種邊界條件下的管內(nèi)耦合換熱進行了數(shù)值模擬研究。通過速度場、溫度場及熱流場的分析，考察了不同邊界條件下，介質(zhì)光學(xué)厚度、各向同性散射、輻射一導(dǎo)熱參數(shù)、壁面發(fā)射率等參數(shù)在變物性介質(zhì)耦合換熱中的作用特性與影響程度；比

5、較分析了介質(zhì)變物性與常物性條件下的耦合換熱預(yù)測結(jié)果差別。 3.圓管通道內(nèi)輻射物性不同的兩種組份摻混過程中的耦合換熱研究。對管內(nèi)兩層介質(zhì)層流同向流動摻混、湍流同向流動摻混、冷氣流由壁面徑向注入摻混三種不同情況，數(shù)值模擬了管內(nèi)的輻射與對流的耦合換熱。通過速度場、組份分布及溫度場分析，考察了不同摻混方式下，外層介質(zhì)光學(xué)厚度、雷諾數(shù)、質(zhì)擴散系數(shù)、冷氣流注入率等相關(guān)參數(shù)與邊界條件的影響。 4.環(huán)形通道內(nèi)變物性透明氣流與壁面的輻射與

6、對流耦合換熱研究。通過數(shù)值模擬，分析了通道壁面間輻射換熱與氣流湍流對流的耦合作用。通過速度場、溫度場及熱流場分析，考察了入口雷諾數(shù)、壁面發(fā)射率以及通道幾何參數(shù)的影響；比較分析了氣流物性變化與否所獲得的通道內(nèi)流動和換熱數(shù)值結(jié)果的差別。結(jié)合工程需要，對某型航空發(fā)動機冷氣道與隔熱層的耦合傳熱過程進行了研究，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。 通過本文研究，掌握了通道內(nèi)非均勻性介質(zhì)的輻射與湍流對流耦合換熱的數(shù)值模擬方法，對上述三類通道內(nèi)的輻射與對流