對流-輻射耦合傳熱模擬及其在柴油機缸內(nèi)過程應(yīng)用研究.pdf

1、自上世紀(jì)末期開始，計算機技術(shù)的發(fā)展取得了巨大進步，目前柴油機領(lǐng)域越來越多的依賴于CFD，數(shù)值模擬可以提供實驗難以給出的流動、傳熱細節(jié)，在發(fā)動機設(shè)計、性能測試和優(yōu)化等方面體現(xiàn)了重要價值。柴油機缸內(nèi)輻射傳熱數(shù)值模擬的關(guān)鍵包括輻射傳輸方程的求解、流動與輻射耦合求解、高溫燃氣中CO2和H2O的物性求解。目前，對缸內(nèi)輻射換熱的研究認識相對較少。本文在自主開發(fā)的計算多物理軟件GTEA基礎(chǔ)上，添加基于格心型有限體積法的輻射模型，實現(xiàn)流動與輻射耦合計算

2、，并模擬了缸內(nèi)輻射換熱，主要內(nèi)容如下:
　　（1）建立輻射傳輸方程求解計算程序。針對吸收、發(fā)射、散射性介質(zhì)的輻射換熱問題，基于格心型有限體積法(FVM)求解輻射傳遞方程，采用FORTRAN語言編寫輻射換熱求解程序。輻射計算可以與流場計算采用同一套網(wǎng)格，簡化了計算程序，提高了計算的通用性。當(dāng)網(wǎng)格和立體角的離散個數(shù)滿足一定的對應(yīng)關(guān)系時，才能得到更精確的計算結(jié)果。當(dāng)壁面為冷邊界時，壁面輻射熱流隨著吸收系數(shù)的增加而增大，隨著散射反照率的增

3、加逐漸減小。
　?。?）實現(xiàn)軟件GTEA已有的流場模塊與添加的輻射模塊的耦合。針對封閉方腔內(nèi)含吸收、發(fā)射及各向同性散射介質(zhì)的輻射與自然對流耦合傳熱問題，采用有限體積法進行了詳細研究。并分析普朗克數(shù)（0.0001≤Pl≤10）、衰減系數(shù)（0.2≤β0≤5）、溫度比（0.25≤γ≤0.9）、散射反照率（0≤ω≤1）、傾斜角（-60°≤α≤90°）和長寬比（1≤AR≤5）等參數(shù)對等溫線、流線、溫度、速度和Nusselt數(shù)的影響。

4、　?。?）采用合并寬窄譜帶關(guān)聯(lián)k分布模型(CWNBCK)計算非灰氣體物性。對于缸內(nèi)輻射換熱問題，不需要知道譜帶詳細的光譜數(shù)據(jù)，主要關(guān)心譜帶的輻射換熱量。根據(jù)文獻中合并寬窄譜帶的方法，本文進一步將窄譜帶合并成兩個寬帶。采用合并后的寬帶k分布模型計算CO2和H2O混合氣體總的吸收系數(shù)。本方法兼顧了計算精度與計算效率，適用于缸內(nèi)燃氣輻射物性的計算。
　?。?）考慮缸內(nèi)氣相對液滴的輻射換熱。軟件GTEA已有的液滴蒸發(fā)模塊忽略了熱輻射的影響

5、，本文考慮輻射能以類似于對流換熱的形式作用于液滴表面。采用B.Abramzon與S. S. Sazhin簡化的輻射吸收模型及Dombrovsky和Sazhin給出的平均吸收因子的最佳近似表達式，編寫液滴輻射換熱計算程序。通過單液滴算例研究表明：當(dāng)氣相溫度較低（673K）時，輻射傳熱對液滴直徑和溫度的影響較小。
　　（5）實現(xiàn)燃燒室內(nèi)兩相燃氣流中的輻射與對流耦合傳熱數(shù)值模擬。運用軟件GTEA中已有的傳熱、流動、噴霧、化學(xué)反應(yīng)等數(shù)值求