文档介绍：中国工程热物理学会传热传质
学术会议论文编号:123282
细水雾遮蔽热辐射多场耦合瞬态换热模型
杜永成,杨立,彭友顺,张士成,刘天
(武汉海军工程大学,船舶与动力工程学院,武汉,430033)
(电话:027-83443367, E-mail:dycheng@)
摘要: 将细水雾作为屏障对强/弱热辐射进行遮蔽衰减在军事和民用领域都有着重要意义。考虑到国内外尚未有将辐射传输与热对流、热扩散、雾滴蒸发等瞬态换热过程进行综合耦合计算的研究成果,本文建立了解决上述问题的数学模型,编制了计算程序,并进行了准确性检验。对细水雾遮蔽热辐射过程中空气湿度、雾滴蒸发速率的动态变化进行了分析;对耦合换热各种换热方式的热流强度进行了对比;并分析了水雾中温度的动态变化规律。
基金项目:国防预研基金资助项目(10**********)
关键词:耦合换热; 细水雾; 热遮蔽; 辐射传输
0、前言
将细水雾作为屏障遮蔽火灾热辐射达到保护重要对象的目的,无论民用还是军用都有着重要意义[1]。而将细水雾作为对抗红外成像制导导弹的途径,也有着广阔的应用前景[2-3]。这两种应用转化成物理问题可描述为目标辐射(主要是红外波段)在细水雾中传输被雾滴、吸收性气体(主要是H2O、CO2)吸收散射,同时与热扩散、热对流、雾滴蒸发等换热方式耦合作用的过程。由于涉及到辐射传输的复杂性、雾滴消光参数非灰特性、雾滴蒸发的动态变化性等,完整的描述该过程是极其复杂的,该问题一直是国内外研究的热点和重点。
国内对于辐射与其它换热过程的耦合计算有一定成果,贺志宏等[4-5]研究了炉膛内辐射与导热的耦合换热;战乃岩等[6]研究了封闭腔内的导热、辐射与自然对流耦合换热;甄仌等[7]研究了辐射与固体熔化相变换热的耦合过程。但总体来讲,国内对细水雾热遮蔽过程的研究较少,缺乏研究成果。
国外对细水雾热遮蔽的换热过程研究较多,Simo Hostikka等[8]研究了雾滴在细水雾中的衰减,但未考虑其它换热过程;A. Collin等[9-10]研究了雾滴运动与蒸发对水雾衰减热辐射的影响;Nacer Berour 等[11]考虑了细水雾遮蔽热辐射的辐射与导热两个过程的耦合计算,造成了物理不真实;P. Boulet等[12]将热辐射、热对流、雾滴蒸发及层流、紊流热扩散进行耦合计算,但是未考虑雾场中水蒸气浓度的动态变化;Parham Sadooghi、Heping Tan、M. Lazard、Andrey E. Kovtanyuk等[13-16]分别研究了瞬态的辐射与导热耦合计算,但都局限于两种模式的耦合。
纵观国内外的研究进展,还未见将细水雾辐射、导热、对流、蒸发等换热过程瞬态模式进行耦合计算的研究成果。本文以Mie散射与吸收理论为基础,利用窄谱带近似解决介质的非灰特性,采用有限体积法解耦合方程,对水雾衰减热辐射的过程进行了详细描述。
1、数学模型
图1 水雾遮蔽热辐射简图
对如图1所示的物理模型做半无限大空间假设,将强迫对流转化为边界条件,因此可视所有换热过程发生在一维方向X上;同时设细水雾分布均匀,符合某一分布规律;在细水雾内部雾滴与空气无相对运动,即将两相流视为整体;两相流与周围空气的相对速度已知,且保持不变。
由于雾滴对热辐射的散射和吸收及吸收性气体