颗粒吸收散射特性的全谱K分布模型.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:
颗粒吸收散射特性的全谱K分布模型
穆磊贺志宏吕哲董士奎
(哈尔滨工业大学航空航天热物理研究所,黑龙江哈尔滨市 150001)
TEL:[phone] E-mail:******@hit.
摘要:气粒混合物辐射问题具有非灰性、全场性等特点,对于锅炉炉膛、发动机燃烧室等辐射换热问题需要综合考虑气体和颗粒非灰特性对于换热的影响。本文借鉴了处理气体非灰特性的K分布模型思想,提出了颗粒吸收和散射非灰特性的全谱K分布计算方法,从而将气粒混合物辐射物性参数的处理统一在K分布模型框架下。在此基础上,采用全光谱K分布模型(FSK)与离散坐标法(DOM)结合求解了不同工况下的气粒混合物辐射换热问题,通过比对验证了本文方法的正确性。
关键词:颗粒吸收系数;颗粒散射系数;全光谱K分布模型;气粒混合物辐射换热;离散坐标法
0 引言
高温气粒混合物热辐射是燃烧过程释热及壁面热流中的主要方式,如发动机燃烧室及喷管传热、锅炉炉膛换热、火灾传播等[1-3]。气体和颗粒辐射物性参数的获取是求解辐射换热的基础,辐射物性参数受温度、压力等参数变化的影响,具有非灰特性。在处理气体非灰特性(即光谱选择性)时,通常采用谱带法[4]和K分布方法[5],K分布模型(窄带K分布、宽带K分布、全谱K分布等)可以获得与逐线法或窄带模型法相近的计算精度[6,7],但计算效率有极大提高,因此,该方法已经成为处理气体非灰特性的主流方法。而目前对于颗粒光谱吸收、散射特性处理仍以灰粒子近似或灰带近似为主。
基于以上背景,本文主要目的是:借鉴气体辐射K分布模型思想,将颗粒的吸收和散射特性分开处理,提出颗粒吸收和散射非灰特性的全谱K分布计算模型,从而建立基于K分布模型框架的气粒混合物非灰特性处理方法;在此基础上,将气粒混合物全光谱K分布模型(FSK)与离散坐标法(DOM)结合,求解不同工况下的气粒混合物辐射换热问题,通过比对验证本文方法的适用性。
1 粒子吸收散射性的全光谱K分布模型
K分布模型的思想是:若在某一光谱范围内普朗克函数不变,则可将随光谱剧烈变化气体吸收系数打乱光谱顺序,按数值大小重新排列,并根据吸收系数出现的几率进行统计,获得吸收系数在该光谱范围内出现的几率分布函数;若进一步统计小于的吸收系数出现的几率,则可获得吸收系数的累积分布函数。
根据以上定义,对于全光谱范围来说,需要引入普朗克修正,此时全光谱的吸收系
基金资助:国家自然科学基金项目()和教育部博士点基金()
数几率分布函数和累积分布函数为[8]:
(1)
(2)
式中为Dirac-delta函数,为波数,黑体辐射强度,为黑体光谱辐射强度。
通过引入和,则可以将任一辐射量对光谱的积分转换为对吸收系数的积分或累积分布函数的积分,由于累积分布函数是单调上升的光滑函数,可采用简单高效高斯数值积分求解:
(3)
式中:为高斯积分点数;为高斯积分点的积分权重。
对于稀疏粒子辐射,其吸收、散射系数是单个粒子的代数和[9]:
(4)
(5)
其中:为摩尔浓度;和分别为粒子的数密度和第i种粒子的投影面积。
处理粒子的吸收和散射通常采取灰粒子近似或灰带近似,由于不同粒径下颗粒的吸收散