辐射热线法计算三维辐射传热的数学模型及其应用

一、前言 求解以锅炉炉膛为对象的辐射热传递问题,目前常用的方法有热通量法,区域法和蒙特卡洛法。 作者们曾针对蒙特卡洛法进行了分析及改进。近来又提出了不使用概率运算的辐射热线法,可用较短时间求得精确的解。但目前该法只用于2维且壁面是黑体的情况。 本文在辐射热线法中引入壁面有效辐射的概念,就三维的长方体检定了以短时间求得精确解的条件。在此基础上,将该法应用于城市煤气改质炉的传热计算。     

二维多介质欧拉自适应网格方法研究

要对聚能和流场的剧烈变化进行模拟，欧拉方法具有明显的优势。而在这些方面的研究中，所涉及的流场十分复杂，为达到所需的计算精度，必须采用很密的网格才能以较好的分辨率去模拟流场的剧烈变化部分和介质的界面，特别是大空间尺度流场局部细节的数值模拟，有些问题如果用统一网格计算，即使最快的计算机也不能提供足够的分辨率。所以目前计算机的内存和速度限制了整个计算区域的网格细分程度，对计算区域作局部的网格自适应细分、用大的动态空间分辨率划分流场是必要的和迫切的。     

绝热可压湍流的焓熵壁面律

在湍流流场的数值计算中,应用壁函数方法或称壁面律方法处理近壁区的流动已经证明是一种行之有效的方法,这可以减少壁面附近区域的计算工作量。在叶轮机械的流动计算中,常采用克罗柯形式的方程组,这里包含了焓与熵的计算。速度的壁面律已有许多人论述过,焓与熵的壁面律很少有人提及,而熵壁面律的概念首次由本文作者提出。     

边界条件局部变化对二维发汗冷却的影响

本文通过对发汗冷却的多孔区域进行二维非热平衡数值模拟,研究了多孔介质区域进口处对流换热系数、冷却剂流量局部降低以及多孔介质受热表面热流密度局部增大对青铜、陶瓷两种不同多孔材料的温度场的影响。计算结果表明,冷却剂在进口处与多孔壁面对流换热系数的增大使多孔介质内部趋向于热平衡;热端壁面对流换热系数、冷却剂流量的局部变化对陶瓷多孔壁面在该局部区域的影响要大于青铜多孔壁面,但青铜多孔壁面受影响的区域更大,而冷却剂流量的局部降低对两种材料固体、流体间温差的影响程度基本一致。     

气冷涡轮环形叶栅三维流场的实验与数值研究

采用4种不同的湍流模型对叶片表面带小孔射流的环形涡轮叶栅内部流场进行数值计算,并与热线实验测量结果进行了对比.结果表明,由于射流尾迹的影响,在射流附近靠近壁面处产生二次流,二次流随着射流下游距离的增大逐渐减弱.比较不同湍流模型的计算结果发现,采用κ-ε模型在射流尾迹区域和与主流掺混区域的计算结果与实验吻合较好,B-L模型在近壁面的速度计算结果偏大,其对尾迹区域二次流的捕捉也较差.     

交隐式BOR-FDTD在非核电磁脉冲导线耦合分析中的应用

 交隐式BOR-FDTD能将3维空间电磁问题转换到2维空间处理,具有节省计算时间和计算机内存的优点。运用该算法结合平面波的柱面波展开,通过总场/散射场连接边界条件引入入射平面波,计算了高功率微波和超宽带电磁脉冲作用下自由空间有限长导线上的感应电流,并对感应电流峰值和导线长度之间的变化关系进行了分析。计算结果表明:与传统3维FDTD算法比较,交隐式BOR-FDTD算法在节省大量计算机内存的同时可将计算速度提高数倍。     

非能动传热球床堆有效导热系数的壁面效应分析

本文针对非能动传热机制下简单立方球床堆有效导热系数进行了数值研究,根据有效导热系数的空间分布特性,对球床堆的近壁面区域和主体区域作了划分;分析了不同非能动传热机制下的有效导热系数的壁面效应;最后分析了导热、辐射和自然对流对近壁面和主体区域有效导热系数的贡献。结果发现,近壁面区域是在壁面附近一个球径范围内的区域;由于辐射和自然对流的影响,相同温度下近壁面有效导热系数比主体区域的有效导热系数小了近15%。当温度分别超过950 K和1080 K时,辐射成为球床堆主体区域和近壁面区域的主导传热机制;自然对流对有效导热系数的贡献并不大,当温度超过600 K时,自然对流可以忽略。研究结果可以为高温球床堆的设计与优化提供理论基础。     

劣质煤沸腾燃烧锅炉浸没埋管的传热计算与试验

本文在计算沸腾料层与浸没埋管之间的传热时,引用修正后的乳化团传热模型,它计及埋管壁面对壁面边界层内局部空隙度的影响.壁面附近床层空隙度的变化规律由几何关系推得.计算结果与埋管传热系数的实验值较为接近,其相对误差小于±5％.文中尚对劣质煤沸腾燃烧锅炉中的埋管辐射放热系数进行了讨论。     

湍流度对单排圆孔及后扩孔气膜冷却的影响

通过传热-传质类比法研究了湍流度对单排圆柱孔及后扩孔气膜冷却效率的影响.计算结果表明,小吹风比M=0.5时,圆柱孔与后扩孔的壁面冷却效率相当,湍流度趋向于在整个下游区域使冷却效果恶化;大吹风比M=2时,后扩孔产生的壁面气膜冷却效率的提高明显,而湍流度的提高强化了冷却剂向壁面的扩散,削弱了冷却气膜脱离壁面的现象,趋向于在整个下游区域提升冷却效率.     

低频室内声散射计算机模拟方法

近年来,声散射的模拟成为室内声场计算机模拟研究的重点。现有的方法一般是依据壁面性质(结构、粗糙度等),利用经验确定散射系数,并基于该系数来模拟室内散射声能的分布。这种方法在低频情况下的精度较差,主要原因是忽略了在低频声场中起重要作用的波动现象。为此,本文提出一种新的计算壁面散射的模型,该模型既可考虑壁面上产生的散射声能,又可计算因壁面边缘衍射而产生的散射声能。文中通过模拟和实测数据的对比,分析验证了该模型的有效性,并给出了表面散射系数的取值规则。     

非对称纳米通道内流体流动与传热的分子动力学

采用分子动力学方法研究了流体在非对称浸润性粗糙纳米通道内的流动与传热过程,分析了两侧壁面浸润性不对称对流体速度滑移和温度阶跃的影响,以及非对称浸润性组合对流体内部热量传递的影响.研究结果表明,纳米通道主流区域的流体速度在外力作用下呈抛物线分布,但是纳米通道上下壁面浸润性不对称导致速度分布不呈中心对称,同时通道壁面的纳米结构也会限制流体的流动.流体在流动过程中产生黏性耗散,使流体温度升高.增强冷壁面的疏水性对近热壁面区域的流体速度几乎没有影响,滑移速度和滑移长度基本不变,始终为锁定边界,但是会导致近冷壁面区域的流体速度逐渐增大,对应的滑移速度和滑移长度随之增大.此时,近冷壁面区域的流体温度逐渐超过近热壁面区域的流体温度,流体出现反转温度分布,流体内部热流逆向传递.随着两侧壁面浸润性不对称程度增加,流体反转温度分布更加明显.     

炉内换热Monte Carlo解法中几个问题的分析

为得到锅炉燃烧室三维空间烟气温度和壁面热流分布,需求解三维能量方程: ▽·(ρUCpT)=▽·(λT▽T)+S_Q (1) 炉内换热Monte Carlo解法是把燃烧室划分成体积为△V许多区域,各区域之间辐射热交换用一组可能途径的随机抽样进行模拟计算。能量方程中流动项和湍流导热项则写成差分方程形式。最后求解由各区域能量方程所组成的非线性联立方程组。     

一种可压缩湍流RANS模拟的浸入边界方法

提出一种可压缩湍流RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)模拟的浸入边界方法。该方法的解重构中,不再定义用于插值的参考点。利用其周围计算内点上已知的流动变量值,解域内紧靠壁面的网格节点上的流动变量通过距离倒数加权方法插值确定。为降低高雷诺数湍流模拟的近壁区域网格分辨率要求,采用一种显式壁面函数将无滑移边界条件转化为无穿透边界条件和当地剪切应力条件;该壁面函数无需迭代求解,提高了计算效率。RAE2822翼型亚、跨音速绕流的数值模拟验证了方法的可靠性。     

过渡流下近壁插人圆柱瞬时流动传热特性研究

为了进一步探讨过渡流状态下,在近壁面区域插入圆柱对壁面传热强化影响的机理,本文利用基于复合网格系统的计算方法,对过渡流范围内Re=500,圆柱处于最佳插入位置,即C/D=0.6时近壁插入圆柱流场的瞬时传热特性进行数值研究。研究结果表明:在壁面附近插入圆柱能够导致圆柱下游壁面产生涡岛,而涡岛对壁面的洗刷效应正是促使圆柱下游壁面传热增强、摩擦降低的主要原因。     

粗糙度对微细圆管内流动特性影响的摄动分析

本文以粗糙度为小参数,采用正则摄动法求解了微细圆管内的层流流动.计算结果表明,壁面相对粗糙度和粗糙元的无量纲间距是影响微细通道内部流场的主要因素.壁面相对粗糙度仅影响扰动流函数的峰值但不影响流场受扰区域的大小;而粗糙曲线空间波数对扰动流函数的峰值和扰动区域的大小都有影响.当粗糙度相同增大空间波数时,流函数的扰动峰值和受扰区域都将减小,这为合理设计粗糙元同时抑制摩擦阻力增大提供了理论依据.     

无网格粒子法壁面边界特性研究

针对无网格粒子法下的离散壁面边界,通过基于粒子数密度的机理分析,证明了离散数值边界与真实边界之间存在差异。分别在二维和三维尺度下,通过计算并分析典型情况下近壁面零散流体粒子的运动轨迹,验证了该差异的存在并展示了壁面对流动产生影响的方式和相关现象。结果表明,数值壁面边界未能完全准确描述真实物理边界,壁面对流体的影响区域并非完全非光滑平顺,这对近壁面流动尤其是低速零散流体粒子会产生一定影响。     

高温壁面润湿性对气层稳定性及其壁面滑移性能的分子动力学研究

针对流体在纳米通道的小尺度效应,采用分子动力学方法模拟了传热效应以及流体流动行为,研究在壁面温度影响下,不同润湿性壁面上方气层生成状态以及流体流动时气层的稳定特性和相应的减阻性能.结果表明:当壁面为纯疏水壁面时,不能形成气层;疏水基底+亲水组合壁面形成不规则气层;纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面能形成规则气层.当流体流动时,疏水基底+亲水组合壁面气层消失,而纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面气层较为稳定.纯疏水壁面主流区域速度较大,而纯亲水壁面主流区域最低.对于壁面滑移速度,存在气层的壁面滑移速度与纯疏水表面相对接近,甚至稍优于纯属疏水表面,而疏水基底+亲水组合壁面滑移速度最小.     

壁面效应对纳米尺度气体流动的影响规律研究

采用分子动力学方法研究了过渡区纳米通道内的壁面力场对气体剪切流动的影响规律.在纳米尺度下,壁面力场对流场的主导作用更加显著,流动物理量对于壁面条件和系统温度的变化也更加敏感.壁面原子的运动采用Einstein模型模拟,结果表明随着壁面刚度的增加,气体在近壁面区域的速度峰值减小,气体分子与壁面的动量适应性变差.壁面粗糙度通过金字塔形模型来研究,发现无论是主流区域还是近壁区域,壁面粗糙度对流动的影响都非常明显.当粗糙单元高度增大时,气体分子在壁面处的聚集现象明显,与壁面完全动量适应.本文还研究了系统温度对纳米通道流动的影响,结果表明温度的影响是全局性的,温度的升高导致整个通道内流速降低,近壁区域气体密度减小,气-固动量适应性变差.     

使用RSM模型对旋风除尘器内湍流各向异性的数值模拟

旋风除尘器内三维湍流流场具有典型的各项异性,本文采用雷诺应力模型求解该流场得到了三维湍流流场的详细数据,得出了雷诺应力6个分量的分布图,揭示了这类强旋流流场湍流各向异性的特征。典型的几个算例的实践表明:采用雷诺应力模型求解这类流场非常必要,它能较好地反映这类流场的真实物理流动;与相关实验数据的比较表明吻合性较好,显示了本文算法的可行性;计算中发现,发展非结构网格更有利于模拟壁面附近的流动,并节省计算机内存。     

粗糙海面及其上方导体目标复合电磁散射的混合算法研究

利用基于电流计算的矩量法结合高频算法基尔霍夫近似的混合算法,分析了一维PM谱粗糙海面及其上方二维无限长任意截面导体目标的双站复合电磁散射特性.混合算法将粗糙面和目标分别划分到KA区域和MOM区域,由于无需数值求解粗糙海面区域的表面极化电流,该算法的运算时间和对计算机内存的需求主要取决于粗糙面上方目标的网格划分情况.数值结果以无限长导体圆柱为例计算了其与一维下垫PM谱粗糙海面的复合双站散射截面,并将计算结果与经典MOM结果进行了比对和验证,结果表明混合方法具有较高的计算效率.最后应用混合方法讨论了不同极化状态、海上不同风速以及目标不同尺寸和位置对复合散射截面的影响. 关键词： 粗糙海面 电磁散射 混合算法 矩量法