熱輻射與高速流耦合換熱的數(shù)值研究.pdf

1、在許多涉及熱傳遞與流動(dòng)的工程技術(shù)中，熱輻射與對流換熱往往同時(shí)存在、相互影響，形成輻射與對流耦合換熱，對過程的進(jìn)程與特性產(chǎn)生重要影響。輻射與高速流耦合換熱不僅涉及熱輻射、對流換熱兩種基本傳熱方式的相互作用，而且涉及傳熱、流動(dòng)、傳質(zhì)等幾種物理過程的復(fù)雜耦合關(guān)系。目前，對輻射與高速流耦合換熱的過程機(jī)制、特性規(guī)律與影響因素還缺乏足夠的研究認(rèn)識。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，熱輻射與高速流的耦合換熱研究正變得越來越重要。
　　本文在研究復(fù)雜形體及

2、介質(zhì)內(nèi)熱輻射傳輸求解方法的基礎(chǔ)上，建立了高速流場與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的傳熱耦合模型；采用數(shù)值模擬的方法，研究了復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面高速流、通道內(nèi)高速兩相燃?xì)饬?、通道?nèi)超臨界流三類不同的輻射與高速流耦合換熱問題。主要研究內(nèi)容包括以下四個(gè)方面：
　　(1)熱輻射傳輸求解的蒙特卡羅方法研究。針對蒙特卡羅法適應(yīng)性強(qiáng)，但計(jì)算與存貯量大的特點(diǎn)，從提高計(jì)算效率、解決大光學(xué)厚度計(jì)算存貯需求兩方面開展了蒙特卡羅法改進(jìn)研究。發(fā)展完善了吸收、散射性介質(zhì)中輻射傳輸?shù)碾p向蒙

3、特卡羅法（BDMC）；提出了求解大光學(xué)厚度介質(zhì)中熱輻射傳輸?shù)囊苿?dòng)區(qū)域蒙特卡羅法（MCMD）；編制了計(jì)算程序。對雙向蒙特卡羅法，將純隨機(jī)抽樣（SPS）、比率抽樣（PPS）與熱輻射傳輸?shù)奶攸c(diǎn)相結(jié)合，導(dǎo)出了均勻及非均勻介質(zhì)的輻射傳遞系數(shù)，從誤差分析與性能參數(shù)兩方面，研究了該方法計(jì)算性能。對移動(dòng)區(qū)域蒙特卡羅法，建立了該方法的實(shí)施模型，分析了計(jì)算域與人工邊界對計(jì)算精度的影響。為復(fù)雜條件與大光學(xué)厚介質(zhì)內(nèi)的耦合換熱研究提供了熱輻射傳遞數(shù)值求解手段。<

4、br>　　(2)復(fù)雜形體的高速流與表面輻射耦合傳熱研究。對于熱邊界條件隨熱交換過程動(dòng)態(tài)變化的耦合傳熱過程，通過建立邊界面熱流函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)了流場和結(jié)構(gòu)傳熱的解耦計(jì)算；采用區(qū)域分解思想結(jié)合邊界面熱流函數(shù)庫，建立了大型復(fù)雜形體的高速對流與表面輻射耦合傳熱模型。采用商用 CFD軟件結(jié)合蒙特卡羅法與熱網(wǎng)絡(luò)法，對高速飛行器整體瞬態(tài)熱分析進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，考察了耦合換熱中各種參數(shù)的作用特性與影響程度。
　　(3)通道內(nèi)非均勻參與性介質(zhì)的熱輻射

5、與高速流耦合換熱研究。建立了組分熱物性、液滴蒸發(fā)與輻射換熱的計(jì)算模型，編制了計(jì)算模塊。通過與商用軟件FLUENT結(jié)合，數(shù)值模擬了通道內(nèi)兩相燃?xì)饬髦械臒彷椛渑c高速流耦合傳熱。通過對溫度場、液相濃度和壁面熱流分析，分析了壁面及介質(zhì)熱輻射特性的影響；比較了不同壁面熱邊界條件對通道內(nèi)熱環(huán)境的影響；結(jié)合超音速燃燒室的熱設(shè)計(jì)，建立了熱邊界非均勻溫度分布模型，探討了影響熱環(huán)境的主要因素及其作用特性。
　　(4)高溫冷卻通道內(nèi)耦合傳熱研究。針對高

6、溫燃燒室的熱防護(hù)，采用有限體積法結(jié)合蒙特卡羅法及對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，數(shù)值模擬了高溫冷卻通道內(nèi)超臨界燃料液體的輻射與對流耦合換熱，分析了熱輻射的作用及影響因素?；诟邷厝紵业姆蔷鶆驘崃鳁l件與冷卻結(jié)構(gòu)材料特性，提出了以壁面溫度控制為約束的高溫冷卻面板熱設(shè)計(jì)方法，分析了該方法的可靠性。
　　通過本文研究，建立了熱輻射與高速流耦合換熱的數(shù)值模擬方法，對熱輻射與高速流的三類耦合換熱過程形成了比較深入細(xì)致的認(rèn)識，得出了一些對工程應(yīng)用有價(jià)值的