富氧燃烧过程非灰辐射特性与辐射传热的数值模拟

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1、华中科技大学硕士学位论文O2/CO2循环燃烧技术的研究，这项工作是O2/CO2循环燃烧系统研究的一个突破。[6]传热是炉内过程的一个重要子过程。在粉煤燃烧室内，由于火焰组分的强烈吸收，发射特性，火焰和水冷壁之间的传热量有95%以上的是以辐射的方式来传递的，[7]并且炉膛尺寸越大，辐射传热在总传热量中所占的比重越大。另外，在锅炉炉膛内，[8]辐射热在煤粒粒子着火热中所占的比例可从小粒子的10%到大粒子的50%，因而辐射热对煤粉流的温升速率、着火距离的影响不可忽略。由此可见，辐射传热对粉煤着火、炉内温度分布、污染物生成和灰渣生成等都有着直接或间接的影响。因此，欲准确地预报炉内

2、过程，就必须完善辐射传热的模型和有关参数。对在O2/CO2循环燃烧方式下和在空气燃烧方式下炉内辐射传热的比较研究具有重要的意义。1.2辐射传输过程热辐射能量可以看成是由电磁波组成（电磁波理论）或看成是由光子组成（量子力学）。但不管是电磁波理论还是量子力学，单独的一个理论都不能很好的解释我们现实当中所观察到的辐射现象。因此，我们往往交叉的使用两个理论的概念来解释辐射现象。二者可通过光子能量的频率和电磁波的波长联系起来。只要物体的温度高于绝对零度，物体内的微观粒子都会由于热运动而发射出不同波长的电磁波，这种现象被称作热辐射，所发射的电磁波称热射线。一般的讲，液体、固体（包括细

3、小颗粒）[9]和表面的辐射特性多来源于电磁波理论，而气体的辐射特性则多来源于量子力学。在工程上经常遇到的温度范围内，热辐射的能量主要集中在0.1~100μm波长范围内，可分为紫外线、可见光和红外线三部分。真空中，紫外线的波长为0.1~0.38μm，可见光的波长为0.38~0.76μm，红外线的波长为0.76~1000μm。上述分界线并没有严格统一的规定。红外波段内的近、中、远红外线的分界就更不统一了。按照国际照明委[10]员会的分类，0.76~1.4μm为近红外，1.4~3μm为中红外，3~1000μm为远红外。我们主要关注的气体辐射是在红外波段内。2华中科技大学硕士学位

4、论文图1-2不同光线的电磁波波段目前我们采用辐射传输方程（RTE）来描述介质内的辐射传输，辐射传输方程是一束射线在空间体积微元内，沿某一传播方向上的能量平衡方程式。可以写成如下形式：dIλ()Ksca,λ4π=−Kabs,λ+Ksca,λIλ+Kabs,λIb,λ+∫Iλ(Ω′)pλ(Ω′,Ω)dΩ′ds4π0Ksca,λ4π=−Kext,λIλ+Kabs,λIb,λ+∫0Iλ(Ω′)pλ(Ω′,Ω)dΩ′（1-1）4π式中，有两个重要的辐射特性参数，吸收系数K和散射系数Kabs,λsca,λ我们可以看到，辐射能量是空间坐标、空间方向和光谱的函数。因此，对辐射传[11]递

5、方程的数值求解，需要关注两方面的问题：(1)、描述辐射的空间特性，即数值计算方法；(2)、描述辐射的光谱特性，即辐射特性模型。求解某计算区域的辐射传输方程时，必须给定该空间边界上的辐射传输特征，边界的辐射强度包括：(1)边界表面自身的发射；(2)边界对投射到其上的辐射的漫反射或镜反射。表面的边界条件可表示为如下数学形式：d+ρλ−s−Iλ(0,Ω)=ελIb,λ(T)+∫Iλ(0,Ω′)W′⋅ndΩ′+ρλIλ(0,−Ω)（1-2）π2πds式中，ε、ρ和ρ分别为边界表面的单色发射率、漫反射率和镜反射率；T为壁λλλ面的温度；−Ω为被镜反射的光线的入射方向。3华中科技大学

6、硕士学位论文1.3炉内辐射传热研究现状第一、数值计算方法方面辐射能量对空间方向的依赖性是使热辐射传输问题复杂化的关键因素。自20世纪50年代以来，许多学者针对参与性介质的热辐射传递已经提出、发展了多种求解[11]方法。这些方法可以分为四类：（1）、方向平均近似法；（2）、微分近似法；（3）、能量守恒法；（4）、混合法。具体见图1-3：图1-3辐射传热数值计算方法分类一阶的微分近似法（矩方法和P1近似法）可以很好的处理散射问题，且精度也不错。关于能量守恒法。区域法（ZM）适合于已知温度分布的热流计算，它的的不足是计算交换面积需要消耗很大的内存以及高质量网格的生成。蒙塔卡洛法

7、最大的问题在于它无法与CFD程序耦合。除DTM之外的其他混合法的缺点与能量守恒法是相同的。我们注意到现在受到广泛关注的P1近似法、DOM、DTM和FVM有几个共同的优点：可以和CFD程序耦合；适用于复杂的三维空间结构；与谱带模型耦合较好；且消耗的计算资源并不多。本课题将重点关注DOM和DTM。离散坐标法（DOM）将传输方程转化为一系4华中科技大学硕士学位论文列偏微分方程组，便于与一般输运方程耦合；它相对于蒙特卡洛法和区域法，对计算机的性能要求较低，也可以方便的处理各向异性散射项。因而离散坐标法在含有散射性介质的流动、燃烧和传热