基于扩散近似法和双通量法耦合的多孔介质内燃烧辐射换热计算方法

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1、第30卷第2期计算物理Vo1．30．No．22013年3月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSMar．．2013文章编号：1001—246X(2013)02-0203-06基于扩散近似法和双通量法耦合的多孔介质内燃烧辐射换热计算方法李德波，宋正昶(1．广东电网公司电力科学研究院，广州5100602．中国矿业大学电力学院，徐州221116)摘要：将Rosseland辐射模型和双通量法结合，对瓦斯气体在泡沫陶瓷中预混燃烧辐射换热计算方法进行研究数值模拟的结果与试验结果吻合比较好，证明提出的辐射换热计算方法是有效的．关键词：辐射换热计算方法；Rosse

2、land扩散近似法；双通量法；瓦斯预混燃烧；多孔介质中图分类号：TK124文献标识码：AO引言多孔介质中的预混合燃烧是一个包含化学反应及导热、对流和热辐射三种换热方式互相耦合的复杂换热过程¨．从理论上研究多孔介质预混合燃烧，建立燃烧的数学模型是众多研究人员努力的方向．大部分研究者都在实验研究的基础上，通过适当简化，建立燃烧数学模型，再通过数值计算的方法，得到和实验基本一致的结果，验证燃烧模型的有效性．Kotani。。等人用小直径的陶瓷管束作为研究对象，建立了数学模型，在模型中提出对气体和固体采用独立的能量方程，这是他们对多孔介质预}昆合燃烧理论研究的重要贡献．但是模型中没有考虑辐射

3、作用，而辐射换热在多孔介质预混合燃烧中对火焰位置、火焰温度、燃烧速度等重要参数有很大的影响．Churchill的数学模型考虑了壁面之间的辐射作用、壁面内的导热作用、壁面与气体之间的对流作用以及层流到湍流的过渡状态热交换的强化作用，并认为气体的辐射作用与固体相比可以忽略．对辐射传热的处理上，研究者大多采用适用于光学厚介质的Rosseland辐射模型，理论上讲，在多孔介质燃烧器出口，光学厚介质的假设是不满足的，因此Rosseland辐射模型显然是不适用的；有的采用双通量辐射模型，在处理多孔介质燃烧器内部计算区域时显得过于复杂．本文将Rosseland辐射模型和双通量法结合，克服各自的缺

4、点，对瓦斯气体在泡沫陶瓷中预混燃烧辐射换热计算方法进行研究．1数学模型对于泡沫陶瓷的燃烧过程，气、固相的传热能力有明显差异，气体燃料燃烧释放出来的热量不可能立刻完全传递给固体基质，因此两相之间存在局部温差，即二者处于局部非热平衡状态，应分别建立能量输运方程，并通过两相之间的表面对流换热系数将这两个方程耦合起来，这一点与普通的预混燃烧不同．本文研究引入多孔介质的体积孔隙率以描述固相介质的存在对燃烧的影响．基于上面的假设和分析，参考Williams和周力行¨。。的论著，根据多组分反应流体的基本定律和基本方程，建立控制方程：连续性方程：0，(1)a式中，p为气体混合物的密度；“为气体流速

5、；s为多孔介质孔隙率；为轴向距离．投稿日期：2012—04—23；修回日期：2012—07—25基金资助：国家自然科学基金重点项目(50534090)资助项目作者简介：李德波(1983一)，男，土家族，湖北宜昌，工程师，工学博士，主要从事煤粉燃烧污染物控制，百万超临界燃煤机组调试、试验，煤粉燃烧高级数值模拟，大规模并行数值计算方法和程序开发等研究，E-mail：ldbyx@126．eom计算物理第3O卷混合气动量方程P=const．(2)混合气的能量方程pcu一未(Ad)+sKpcdTg+K+s(一)=。，(3)式中，为气体的温度；As为气体混合物的导热系数；Cp为气体混合物的定压

6、比热；c为组分k的定压比热；tog为气体混合物的密度；hk为组分k的比焓；∞为组分k的质量生成速率；h为表面对流换热系数；S为单位体积比表面积；T为多孔固体的温度．固相能量方程[(1一g)dT]_dqr+(--)=。，(4)～式中，A。为多孔固体的导热系数；qr为辐射热流量．组分守恒方程警+(YkVk)一跳=。，(=l，2，⋯，K一1)，(5)式中，Yk为组分k的质量分数；为组分k的扩散速度；为组分k的质量生成速率．理想气体状态方程p=，(6)式中，P为气体混合物的压力；R为通用气体常数；W为气体摩尔质量．2辐射换热计算方法在燃烧的控制方程组的固相能量方程中，包含有固体的热辐射项，

7、该项的正确处理是泡沫陶瓷内预混燃烧的数值模拟的关键环节．必须根据辐射传热理论，找到合适的处理方法．为了得到吸收、发射和散射性介质中的温度分布和热流，往往需要解析求解或数值求解辐射传递方程和能量守恒方程．但由于辐射传递方程是一个积分一微分方程，解析求解相当困难．在某些情况下，可以有效地利用各种近似求解技术，获得近似解．目前常用的近似求解技术有忽略辐射传递方程中某些项的方法、光学薄近似法、扩散(光学厚)近似法、指数函数核近似法等⋯．这些方法都有各自的适用条件，所能获得的解