参与性介质方向辐射的广义多流法研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文场角也很小，只能探测到很小角度内投射到探测头上的能量。MC方法可以解决这个问题，但计算效率很低。近年来，已经发展了很多求解参与性介质内辐射传输问题的数值方法，包括FVM、DOM、MC、DTM、ZM等，这些方法在求解辐射换热问题上均有优点也有缺点。当只求解热流和能量问题时，各种方法之间的差别不会很大，但对于某一确定方向辐射强度的计算问题，很多方法的求解出现困难，每种方法的求解结果可能大不相同。例如，离散坐标法中，其离散方向大都是固定的，只能精确求解某些满足固定离散方向的辐射强度，方向不能任意调节；BMC方法理论上可以求解任意方向的辐射强度，但其缺点是计算速度较慢

2、（虽然相对于MC方法已有很大改善），迫切需要一种兼顾计算精度和计算效率的数值计算方法，以满足目标探测、大气遥感、燃烧诊断等领域的实际需要。考虑到实际中的定向辐射探测问题，本文的目的是提出一种能够满足需要的简单快捷的、并且具有普适性的计算模型。需要寻找一种能够快速准确的求解方向辐射强度的方法，因此本文提出广义多流法模型，可以较为精确的计算方向辐射强度和表观定向发射率，且计算效率较高。1.2辐射传递求解方法的概述到目前为止，针对辐射传输问题的求解已提出了许多方法，传统的有：区域法、蒙特卡洛法、离散传递法、离散坐标法、球形谐波法、有限体积法等。各种方法都各有其优缺点，通过这些方法所能获得的解的精

3、度及提供信息的详细程度也不相同。从基本原理来看，求解辐射传输的数值方法大致可以分为两类：基于能量追踪的求解方法和基于辐射传输方程的求解方法。蒙特卡洛法和射线踪迹法是第一类方法的典型代表。而区域法、离散传递法、离散坐标法、球形谐波法、有限体积法等属于第二类方法。其中，第二类方法又可以分为：基于辐射微分方程的求解方法和基于辐射积分方程的求解方法。除区域法和离散传递法外，大部分第二类方法都是基于辐射微分方程的求解方法。-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2区域法区域法(ZoneMethod)是由Hottel和Cohen[6]最先提出的，该方法实质上是计算表面间辐射换热的净辐射法的一种扩展[7

4、-8]。它将封闭空腔及其表面分成若干体元和面元，并假定每一区域的温度和物性均匀一致。进而，对每个区域可以写出辐射能量平衡方程式，计算每两个区域之间的直接辐射交换，最后得到每个区域的净辐射热流。由于需要计算并储存大量的交换面积参数，所以这种方法比较复杂费时。因而区域法常用来计算封闭空腔几何形状不是很复杂且体积区域和表面区域可以划分得较少的辐射换热问题。区域法对无散射的辐射问题有较好的计算精度，但还很难处理非均匀、各向异性散射介质内的辐射换热问题。近十余年来，区域法作为一种基本的热辐射传递计算方法得到了广泛的应用[9-10]，其方法本身也得到了改进和完善。例如：Saltiel等[11]用非结构

5、化网格对区域法进行改进；针对耗时量大，提出了并行处理的方法[12]。1.3离散传递法离散传递法最先由Lookwood和Shah等[13]人提出，该方法同时兼有区域法和蒙特卡洛法的特点。其主要思想是使用边界网格面作为辐射的吸收和发射源，将边界网格面上向半球空间发射的辐射能离散成有限束能束并形成相应的特征射线，沿特征射线积分辐射传递方程直至到达另外的边界面。若设由图1-1边界面∆Ai发射的一根特征射线l在进入某控制体P时的谱带辐射强度为Ik,P，离开该控制体的谱带辐射强度则为Ik,P+1。沿射线在控制体P上积分辐射传递方程直至最终到达边界面，忽略散射，则射线穿过内部控制体时谱带辐射强度的变化可

6、由下式递推求得：n2BσT4()()kk,T⎡⎤PIk,P+1Ik,Pexpa,ks1expa,ks=−κδ+⎣−−κδ⎦(1-1)Pπ-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文网格界线边界网格面元图1-1离散传递法的计算模型式中：δs为特征射线l在控制体P中的行程；nk为∆λk谱带内介质的∞折射率；TP为控制体P的温度；=∫()∫()是Bk,TEbλTdλEbλTdλPPP0∆λkT温度下∆λk谱带内黑体辐射能占总辐射能的份额。P1.2离散坐标法离散坐标法(DiscreteOrdinateMethods,DOM)又名S方法，与球形谐波N法类似，也是将传输方程（对灰体或基于光谱）转化为一系列偏微

7、分方程组,其理论上可应用于任意阶数和精度。该方法基于对辐射强度的方向变化进行离散，通过求解覆盖整个4π空间立体角上一系列离散方向上的辐射传递方程而得到问题的解。离散坐标法首先是由Chandrasekhar[14]1960年在研究恒星和大气辐射问题时提出的，并被Lathrp[15]用于中子传输计算中。1965年，Love等人[16]最早将其引入到一维平板辐射换热问题的求解中。自此，离散坐标法引起了热辐射传输领域的重视，并将