● 摘要
摘要辐射换热是湍流燃烧过程中的一种重要传热方式。在燃烧过程的数值模拟中，辐射热流的大小与燃烧系统的火焰温度、火焰结构、燃烧污染排放、燃烧室的热防护等问题密切相关。因此，研究湍流燃烧过程中的辐射换热具有重要意义。 本文以美国Sandia实验室的火焰D为研究对象，在采用Realizable κ-ε湍流模型以及标量概率密度函数（PDF）法和多步反应机理模拟燃烧的基础上，应用CFD软件结合自编程序进一步研究其热辐射特性，主要从以下两个方面展开：首先，采用离散坐标法(DOM)求解辐射传递方程，并分别采用普朗克平均吸收系数和箱带模型计算燃烧气体的辐射特性参数，研究了辐射换热对火焰温度场及组分浓度场的影响。结果表明，考虑辐射换热的影响时，计算值与实验值吻合更好，且采用考虑气体光谱辐射效应的箱带模型比仅随温度变化的普朗克平均吸收系数的计算值更接近实验值。其次，在采用球谐函数法（P1近似）结合窄带模型的灰带近似分别求解辐射传递方程和辐射特性参数的基础上，进一步讨论了由温度脉动引起的湍流辐射交互作用（TRI）对辐射换热的影响。其中，吸收系数与普朗克函数的脉动关联项采用普朗克函数的泰勒级数展开结合温度脉动输运方程求解，吸收系数与辐射强度脉动关联项采用了湍流涡团光学薄假设（OTFA）。研究表明，由温度脉动引起的TRI增强了湍流射流火焰的辐射换热，当辐射换热计算考虑TRI时，数值模拟结果更接近实验值，计算精度有较大的提高。