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当我们处理

来自辐射换热对燃烧过程的贡献的时候

前面我们介绍必须考虑热辐射的影响

还要采用合适的非灰性辐射特性模型

在此基础上

下一个深层次的问题是湍流辐射的相互作用

它是和燃烧过程有着紧密联系的一个方面

因为燃烧是关于反应流动的研究

湍流是燃烧流动里面的一个基本特征

因此如果你们想要做一些燃烧的仿真和模拟

那么你们就需要考虑TRI

特别是Radiation Interaction

就是湍流和辐射之间的相互作用

那么

考虑湍流辐射相互作用的原因究竟是什么呢

因为湍流火焰中涉及到的参数

特别是温度和浓度都波动得很强烈

波动的幅度经常是在40%到60%范围内

光谱辐射吸收系数

是决定辐射换热过程的基本参数

光谱辐射吸收系数

是由气体混合物的温度和浓度决定的

因此如果温度和浓度波动的很剧烈

那么表示光谱辐射吸收系数也波动的很大

因为湍流引起温度和浓度这些参数强烈的波动

那么它也引起辐射特性的强烈波动

因此在这种情况下如果我们考虑波动

那么我们需要考虑湍流和辐射之间的相互作用

因为湍流引起燃烧中的热流体中的

主要参数波动很大

因此这是我们考虑湍流-辐射耦合作用TRI的原因

虽然湍流和辐射传热本身都是非常困难的问题

它们之间的耦合将不会容易处理

如果我们处理没有反应的热流体

那么波动不会很强

就不必考虑他们之间相互的作用

我们一般把流动中的湍流和辐射

当作独立的现象

这种方法对于无反应的流动区域

例如燃烧室排气中的二氧化碳和水蒸气

是可行的

因为这些流动中的标量的脉动远远小于火焰中

但是反应流中忽略湍流脉动会导致很大的误差

这是什么原因呢

如果我们不考虑湍流和辐射之间的相互作用

结果会是什么

因为如果我们不考虑湍流辐射相互作用

我们就会使用平均参数去计算辐射传递方程

例如我们使用时间平均的温度

不同组分的时间平均的浓度

使用时间平均的参数来计算辐射特性

这个结果将会引起很大的误差

如果我们考虑波动的温度

波动的气体混合物

那么我们将会得到辐射换热过程中的

波动的辐射热通量

然后取平均

这两个平均是不同的

考虑湍流辐射相互作用

是很复杂的问题

这是我们处理辐射传递过程的时候

能量方程中的辐射源项

是局部发射和吸收之差

我们使用这个公式来把热流体中的

辐射过程和能量平衡方程相关连

湍流辐射相互作用的意义是什么

引起辐射热源的

首先是来自气体介质的黑体辐射

这是局部发射

其次是吸收

通过介质吸收入射辐射进行计算

这两项之间的差

引起了热流体介质中的辐射贡献

因此这是我们计算热流体中的辐射热源的公式

我们想要得到由辐射引起的时间平均热通量

注意我们需要计算吸收系数和黑体发射的乘积

以及吸收系数和入射辐射强度的乘积

黑体强度是由局部温度决定的

辐射强度是从外部传递进入介质的

它不是由局部温度决定的

如果我们想要计算时间平均的热通量

那么我们需要计算这两项的时间平均值

那么怎么计算时间平均

这两个量的乘积是主要的问题

如果我们从每一个单独参数的平均

来计算这个平均值

就是发射TRI和吸收TRI的第一项

但是如果这两个量是波动的

那么这两个量的时间平均的乘积

不等于这两个量的乘积的时间平均

那就是它们之间的差别

我们把这两项分别称为发射TRI和吸收TRI

发射扣除是它是由局部气体介质的发射决定的

吸收是指穿过介质的辐射强度被介质的吸收

第二项就是这两个量的乘积的时间平均之中

扣除两个量的时间平均的乘积之外

需要考虑的部分是TRI的核心

这是我们考虑湍流和辐射之间相互作用的

基本关系式

湍流引起反应流中的所有参数的波动

这些波动引起了辐射传递过程

和系统内辐射热通量的波动

因此

这是我们考虑湍流辐射相互作用的原因和方法

具体的处理方法大家可以参考有关的文献

这是考察湍流辐射相互作用的影响的一个例子

是一个钝体稳燃的甲烷空气燃烧火焰

这里给出了燃烧条件

这是不同的试验工况

这是甲烷摩尔浓度预测结果和实验结果的对比

大家可以看到

在考虑湍流辐射相互作用之后

预测结果和实验结果吻合的很好

这是参数的波动的例子

沿着燃烧室轴向的速度的波动

我们可以看到参数的波动很强

这里给出了钝体稳燃甲烷空气燃烧火焰

不同当量比下壁面辐射热通量

最下面是对流换热过程的热通量

中间是不考虑湍流辐射相互作用

得到的辐射热通量

最上面是如果考虑湍流辐射相互作用的时候的

辐射热通量

我们可以看到这个量是增加的

湍流辐射热通量增加了大概50%

这个差别是很大的

造成这个差别的原因是什么呢

这是因为辐射换热的非线性变化

例如辐射强度随温度的变化

这不是一个线性的关系式

它是一个非线性的关系式

是一个指数函数

几乎跟温度的四次方成正比

因此这是我们考虑和不考虑

湍流辐射相互作用下引起的这个区别的原因

因此我们可以使用这个结果来显示

湍流辐射相互作用在燃烧系统中的重要性

这里我们可以看到热通量随着Reynolds数的变化

这是低Reynolds数下的结果

对于对流换热

我们考虑不考虑湍流辐射相互作用

都是没有影响的

低雷诺数下对流热通量低于辐射热通量

考虑湍流辐射相互作用的辐射热通量

大于不考虑湍流辐射相互作用的辐射热通量

不能想象

不考虑热辐射能够得到壁面热通量的

正确预测结果

如果Reynolds数增加

那么对流换热将会随之增加

对流换热增加到

接近没有湍流辐射相互作用下的辐射热通量

还是低于考虑湍流辐射相互作用下的

辐射热通量

这是高Reynolds数下的结果

在这种情况下

对流换热通量

接近考虑湍流辐射相互作用时的辐射热通量

大家可以对比三种雷诺数下结果的变化

我喜欢读这种文章

因为从这些结果可以得到

湍流辐射相互作用的影响的更加清晰的印象

考虑和不考虑湍流辐射相互作用

将会得到不同的辐射热通量

如果我们对比来自对流和辐射的贡献

那么Reynolds数

也是决定对流和辐射的贡献的主要参数

我们还可以从这个结果得到更多的信息

得到关于对流和辐射的贡献的更清晰的理解

因此我认为这个结果令人影响深刻

并且很有用

这个表给出了不同Reynolds数下钝体热负荷

也就是壁面热通量的定量差异

随着雷诺数提高

后两项给出的对流热通量随之提高

但考不考虑TRI结果差别不大

随着Reynolds数的提高

前两项给出的辐射热通量随之下降

但第二项给出的考虑TRI的辐射热通量明显高于

第一项不考虑TRI的辐射热通量

这里给出了计算CPU所花时间的去处

我们可以看出

对于辐射特性如果考虑非灰特性

并且求解辐射传递方程

这个时间是几秒

但是大多数的时间都花在

计算燃烧过程的化学反应上

大约花去总计算时间的三分之二

因此化学反应是最耗时的计算过程

再看一个湍流发烟火焰的例子

考虑湍流-化学反应耦合和湍流-辐射耦合作用

所模拟的六个火焰的Reynolds数6700到15000

两种燃料纯乙烯

90%甲烷和10%的乙烯的混合物

不同的氧量水平从21%到55%的氧气

采用拉格朗日粒子蒙特卡洛法

求解联合概率密度函数PDF输运方程

基于粒子的光子蒙特卡洛法结合PDF法

求解发射和吸收湍流-辐射耦合作用TRI

采用二氧化碳和水蒸气的逐线模型Line-by-line

来计算气体的光谱辐射特性

碳烟辐射特性也采用非灰模型

这给出了中心线平均温度和碳烟浓度分布

从左边的中心线平均温度结果来看

考不考虑TRI最高温度相差70K

右边的碳烟浓度结果显示最高的浓度

从0.8ppm 上升到1.2 ppm

由于TRI使得中心线温度下降

降低了碳烟的氧化反应速率

导致碳烟浓度升高

这里给出了火焰对壁面热通量（负荷）的贡献

考虑TRI得到的热负荷

与实验测量结果更加接近

说明其更客观

这里给出了火焰中碳烟浓度的分布

结果相似

考虑TRI得到的碳烟浓度的分布

与实验测量结果更加接近

说明其更加可信

我们看看TRI对火焰主要特性参数的影响

首先是发射加权平均温度

考虑TRI发射加权平均温度下降

净辐射热损失增加30%到50%

这说明湍流辐射相互作用

将会把来自火焰的辐射增加30%到50%

因此我们可以记住这个结果

如果不考虑湍流辐射相互的作用

那么我们将会给出

误差很大的热辐射损失的预测结果

总结一下这里的主要结论

碳烟发射占总发射的45%

即使碳烟浓度只有几个ppm

最大到99%的碳烟发射

不经再吸收就会逸出燃烧区域

TRI将火焰发射增加30%到60%

将火焰净辐射热损失增加45%到90%

这样的水平高于非发烟火焰

吸收 TRI 在实验室碳烟浓度

几个ppm级的火焰可以忽略

但是对于大型的工业火焰

以及加压系统则可能很重要

如果你们要做燃烧模拟工作

那么不仅要考虑辐射的计算模型和方法

还要考虑湍流辐射的相互作用

是不是可以忽略 必须考虑