湍流-辐射交互作用的数值模拟研究

admin · 发表于 2024-1-13 19:36:56

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辐射换热是湍流燃烧过程中的一种重要传热方式。在湍流火焰的数值模拟中，辐射热流的大小与燃烧系统的火焰温度、火焰结构、燃烧污染排放等的预测密切相关。在湍流反应流中，湍流脉动会引起组分与温度脉动，进而引起辐射场发生脉动，即存在辐射强度脉动与组分浓度和温度脉动的非线性耦合引起的湍流-辐射交互作用（TRI）。因此，正确模拟湍流燃烧过程的辐射换热，在考虑辐射传递方程及辐射介质光谱辐射特性的求解外，正确地模拟TRI也具有非常重要的意义。本文以美国Sandia实验室的火焰D为研究对象，利用CFD软件结合自编程序开展湍流燃烧过程的辐射换热模拟研究。主要内容包括以下三方面：首先，不考虑辐射换热的影响，采用CFD软件进行湍流射流燃烧过程数值模拟研究，通过计算结果与实验值的对比分析，选择适合于本文研究对象的湍流模型及燃烧模型。最终选择可实现双方程湍流模型和考虑了详细化学反应机理的层流小火焰燃烧模型作为湍流燃烧过程数值模拟的基本模型。其次，开发了圆柱坐标系下求解辐射传递方程的离散坐标法(DOM)及求解燃烧气体光谱辐射特性参数的箱带模型和窄带模型灰带近似法计算代码，进而利用用户自定义函数（UDF）功能将自编程序与CFD软件耦合计算，研究辐射换热对火焰温度场和组分浓度场的影响。结果表明，考虑辐射换热的影响后，计算值与实验值吻合更好，且采用详细考虑气体光谱辐射效应的窄带模型的灰带近似法比粗略考虑光谱特性的箱带模型的计算值更接近实验值。最后，基于CFD软件层流小火焰模型求解的小火焰数据库、混合分数及其方差数据库，以DOM结合箱带模型求解辐射换热为基础，采用湍流涡团光学薄近似（OTFA）处理TRI吸收系数与辐射强度脉动关联项，采用假定PDF法模拟TRI吸收系数自相关项和吸收系数-普朗克函数关联项，进一步研究了TRI对辐射热损失的影响。对不考虑TRI、仅考虑吸收系数自相关项的部分TRI、仅考虑温度自相关项的部分TRI以及同时考虑吸收系数与温度脉动的全TRI四种情况下火焰D的辐射换热计算研究表明，TRI增强了湍流射流火焰的辐射换热，同时温度脉动是引起TRI的主导因素，而忽略组分浓度脉动引起的TRI对于计算结果影响不大。

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