工程用燃烧设备中由于火焰对周围壁面和介质有强烈的传热，火焰中介质的温度很不均匀。因此，火焰传热对燃烧的流动过程化学反应过程有很大的影响。实际燃烧设备中存在两种传热方式，即辐射和对流；而对于高温状态进行的能量传递来说，由于辐射换热量与温度次方成比例，因此，在很大程度上，热辐射占主导地位。在常用工程燃烧设备的火焰传热中，辐射换热约占901.因此，在燃烧过程的数值模拟中，必须特别强调辐射传热模型的选择问，以便准确地计算工业炉内的辐射热交换。但因工业炉内介质的吸收和发射工业炉壁的发射和反射以及可能生成的大颗粒碳，纳⑸，等原因，所以工业炉内辐射传热是个复杂的过程。 近几十年来众多研究者开发了些辐射模型，如区域法2，6对01热通量法他3打认对0山概FiiiitcVolumemethod，模型1模拟精度合理性和经济性上各有不特点，似在实际应中如何寻找种既合理而又经济的校甩，也是值得注意的问。 2辐射能景传递方程只丁只求解辐射问的所有方法赖以建立的基础都是辐射收稿日期20040601；修回曰期20040712作者简介史光梅1974，女，新疆奇台县人，助理工程师，从事工业炉的数值仿真。 能量传递方程。吸收发射散射性非灰介质的辐射传递方程的达忒为1式在0方向微元控制体积内，微元立体角上福射能量的守恒。其左侧代给定方向0上辐射强度的梯度，右侧各项依次代介质由于吸收和向外散射自分发射以及山其他方向入射散射所引起的辐射强度的变化。由于上式为复杂的积分微分方程，求解较为困难，因此通常根据具体情况采用以下几种近似方法来处理，可以得到些简化结果。 2，1灰体介质近似即假设介质的吸收系数和散射系数都与波长无关，这样大大简化了计算的复杂度，但同时也大大降低了计算以作为分析非灰介质的基础。在工程计算中常采用此法，方面是为了简化工程计算；另方面是由于缺乏各种材料面辐射特性随波长变化的资料，故把整个气体介质作为灰休处理，+考虑气体辐射特性随波长的变化即不考虑气体的选择性吸收和发射特性，而只考虑其随温度的变化。该方法简单易行，但较粗糙，不够准确。当参辐射的介质中有大颗粒而使气体辐射特性产生的影响很小时，可采用该方法。 在灰气体模型的基础上，又发展了灰气体加权平均模型。它是介于过分简化的完全灰气体模型与完全考虑每个气体吸收带模型之间的折衷模型。文献2将这两种模型进行了比较，结果明在燃气炉模拟中，灰气体加权平均模型预报的热流和气体温度分布比灰气体模型加权平均模型的计算结果与用逐线法及宽谱带模型法计算的结果比较吻合。 2.2谱带近似法即假设介质在些特定的波长范围内是灰体。例如氧化碳气体在红外线范围内有个比较重要的吸收按照谱带近似法，可假设在每个谱带内各有个不变的平均吸收系数，而在这个谱带之外，认为这种气体是透明的。 08的改进版4中就引入了谱带近似法来模拟建筑物发生火灾时的辐射情况。般取6个谱带，当燃料的吸收谱带也要考虑时，谱带数可增加到个。文献5，6就采用了谱带近似法来模拟火灾环境中的辐射换热过程。 2.3光学厚极限令乙为物理特征尺寸，参与辐射介质的单色光学厚度定义为1.，1时，圯广1均自远远小于特1尺十，此时介质中的每个微元体只是直接受到它周围的介质的影响，这种情况就和连续分子导热的情况样，因此这种介质中的辐射传递就成为种扩散过程。这种情况下上式常常被称为0550油4近似或光学7近似式2.4光学沔极限光学厚的怙况被称为薄极限。在这种情况下，光子平均自由程远远大于物理特征尺寸。从而由某个流体元素发射出的光子将直接到达边界面，光户在中途被流体吸收的数量可以忽略不计。因此每个流体元素都直接地和边界面进行辐射交换，而不同的流体元素之间不存在相互辐射作用。这种情况有时称为忽略自身吸收，其意思就是尽管流体吸收边界面发射来因此，方程1就可简化为可以看出，在光学薄条件下，散射辐射在总能量守恒分析中不起任何作用。显然，方程4中不存在积分项，所以能量方程由积分微分方程转化为微分方程。 3辐射换热模型根据上节所述的各种近似简化假定，众多研究者们发展了多种求解辐射传递方程1的方法。尽管作为计兑辐射换热的方法很多，而可能还有新的方法+断出现，但在工程上应用较广泛适应性较强文献中出现频率较高的辐射模型是下述几种。 3.1区域法区域法是迄今为止在燃烧室模拟中应用*广泛的模型之。用区域法进行研究时，把燃烧室分割为若干容积区域此处为气阼和而区域，这些域都很小，以至可以将每区域中的当地温度和其他物理特性看成是均匀的。区域与区域2间的总辐射热流取决，总的交换面积，因此需要计算燃烧室内所有区域两两之间体现辐射热交换的直接交换面积，并由此计算出相应的全交换面积。区域的尺寸和形状取决于工业炉膛的形状。针对每个区域可以写出辐射能量平衡方程式，这样就会形成组有关未知温度或热流的瞬态方程组，通过解总能量平衡方程就可以求出每个区域的温度或热流。当然，对总的能量平衡而言，还要考虑其他形式的能量输运，例如对流扩散以及由于燃烧放热造成的气体质量流动等。 域法计算辐射换热在原观较好的，但是计算工作量很大，很费时间，不宜把燃烧室分成很多区域。 所以区域法常用来计算燃烧室几何形状不是很复杂，而且火焰温度变化也不很剧烈，因而容积区域和面区域可以划分得较少的辐射换热问。 山厂到前为止，只有少数几种情况存上维或维的粘确解，因此区域法仍是作为*精确的数学模型用以考核其他方法的精度。 3.2热通量法热通量法基于对辐射强度在空间的角向变化作某些简化的假定=由于这假定，精确的积分微分辐射传递程可以化茼为饥近似的偏微分方程=这组方程沾合与流动和化学反应的方程联立求解。 该方法用简化辐射密度方向函数的办法来求解辐射传递方程。对于可忽略散射作用的灰体介质来说，方程1可化为，通量模型用于1维空间的辐射换热，把微心体界面上复杂的半球空间热辐射简化为垂直于此界面的均勾llVimqq，M在轴方向增添两个因变和。用于；维空间的情形六通4模型用于维空在轴方向上增添两个因。变量1和= 0.8.默蒂等采用区域法热通量法和改进的蒙特卡洛法来预测圆筒形火焰加热炉内的辉焰辐射传热，并对这种辐射模型进行了比较，结果明，双通量法有较好的预测作用，并且计算迅速，内1用量少。 热通量法的优点是把复杂的能量方程的微分积分项都处理成微分项，并写成通用的输运方程，用相同的阶偏微分方程计算程序来运算，因此方法单且方便。但也计算，辐射热流和义间没，力联关系或耦含得并+充分，因此热通；去在算原理的误差兰要来源于把空间的辐射积分近似地简化成只是沿维或维空间坐标方向的几个辐射热流，而这是非空间积分运算燃烧室火焰传热中辐射换热很强烈而又占主要份额时，用热通量法计算辐射换热并据此求解能量方程就有较大的误差。 3.3蒙特卡洛法蒙特卡洛法又称概率模拟法，或抽样统计法，就是用概率论的原理来模拟随机过程，用以求解复杂的数学方程。它是种处理复杂边界参与介质各向异性*有效的方法。 张建强和朱谷君8用蒙特卡洛法计算了航空发动机燃烧室火焰筒内燃气对壁面的辐射热流，得到了较满意的结果。杨向平等9也采用该法研究了圆筒形加热炉辐射室3.4球形谐波法球形谐波法*初是把3在研究天文物理学的某些问波级数。 非散射灰气体的，1近似达式为；7，7，0山27为当地温度1为斯蒂芬波尔兹曼常数。 将，1近似解与采用快速傅立叶变换法直接求解辐射传递方程所得的数值解进行了比较，发现结果相当吻合。他们还把，1近似与大涡模拟技术相结合对孤立火焰羽进行分析求解，结果明应用近似求解辐射积分强度比用，丁耗，更少效。81油88等3总结，1模型的优缺点也们指出巧模型应用于光学薄介质时温度预测值会偏高，但该模型特别适用于气体与粒子进行福射热交换的怙形。 3.5离散传递法0丁肘离散传递法把体枳微兀向周1；1的热辐射均匀地分配在每个空间角内，每个空间角的大小为，每份辐射能沿个叫角的心线形成个能束，它的辐射能为，警7各辐射能4沿能束线向外发射，沿途逐步被周围的介质所吸收。 这方法是0旭356姐研。究维灭休物理问，首先提出的。模型求解的是从有限个立体角发出的辐射传播方程，每个立体角对应着坐标系笛卡儿下的固定方向。立体角的离散精度有点类似于01模型中的射线数目，但与几不同的是校型并不进行射线跟踪，相反校型把方程1转化为空间坐标系〃辐射强度的输运方程，便于同般输运方程耦合求解。对维非散射灰体介质，任离散方向5；1的辐射能流方程可4成法。贺志宏等15应用贴体坐标系下辐射传递方程的离散坐标法，数值模拟了维叶片流道内的辐射换热，并与直角坐标系下有限体积法的计算结果进行比较，者非常接近=0，灿，等16对带打障，物的。维封闭区域的辐射传热进行了数值模拟，他们采用了离散传递法离散坐标法和有限体积法来预测，并与使用蒙特卡洛法计算全交换面积的区域法所模拟的结果进行了比较，他们指出，用几种方法计算所得的热流值都是基本致的，但离散坐标法和有限体积法是*经济的。 3.7有限体积法方，油1扣和，首先提出辐射传递方程的有限体积法，并应用于笛卡儿坐标系和柱坐标系。该方法是将计算域离散为不重抒的控制体积，每个控制休积包六个位于控制体积内部的节点将471空间离散为不重孜的控制立体角用方向矢量定义立体角的中心，6，少分别茯在控制体积和找制立休角内对吸收发射散射性非灰介质的辐射传递方程进行积分并求解。它与离散坐标法有许多相似之处，只是在处理角微分方面更为简便00法在找制立体角2；内把方向5当作常数来处理，而在，法中，方向是随极角和方位角而变化的，这样处理使得辐射计算与流场的计算更容易耦合。 法，用以求解维及维不规则几何形状介质内热辐射传递问。文献18采用直角坐标系下的有限体积法，数值模拟了角切，燃烧锅炉炉膛内的辐射换热过程，结果明，有限体积法计算速度较快，易于处理不规则边界。总之，与其他方法相比，有限体积法可确保辐射能量整体守恒，避免射线效应，对+规则边界适，性强，能处理各向异忡故射，在进行计兑时不存在离散坐标法中角微分项处理上的困难。因此，该方法是求解复杂几何形体及多场耦合条件下辐射传递的有力工具。 4结论综上所述，区域法由于计算工作量很大，不宜把燃烧室分成很多区域，影响了基本能量方程数值求解的精确和方便，但区域法直接对辐射换热作积分运算，原理较好，因此它仍然是检验其他方法精确与否的标准。热通量法计算辐射换热较为方便，它回避了积分运算，转化为单的微分运算，把微元体和周围的复杂辐射换热简化为几个沿坐标轴方向的辐射热流。该方法虽然便于把燃烧室划分为很多个微元体来进行运算，但是在辐射换热的简化原理上不够2善，会引起相当大的误。 总之，区域法和离散传递法难以处理各向异性散射，离散坐标法不易守恒且难以处理非物理方向耦合问，光线踪迹法物理概念清晰，但不利于多维计算，而蒙特卡洛法虽然适应性较强，但计算时间较长。因此，扬长避短，针对具体的物理问采用相应的方法或者几种模型结合使用将是工程能够接受并有潜力的研宄方向。如邢华伟等ly结MCZ法，提出了Al；Edwds指数，带模型处理气体辐射特性的3种计算模型。 在要符号说明为光谱吸收系数，为发射力，界；为辐射强度，界如23办1为物理特征尺寸，瓜；2为热流量，评；9为热通量，界；为位置向量，瓜；5为源项；为温度，7为辐射训校的积分；1少，2坐小；7心1汆弦；扒0为立体角的极仿和立位角，1；1为波长，叫1！7散射洛数，学厚度，为方向；0为散射相函数。 分量；1为单色波长。 1王应时。烧过，数计算殓。北京科学出版社，1986. 刘林华，余其铮，阮立明，等。求解辐射传递方程的离散贺志宏，谈和平，刘林华，等。发动机叶片流道内辐射换热的数值计算凡推进技术，2002216568. 贺志宏，刘林华，谈和平，等。炉内辐射换热过程的有限邢华伟，邓先和，郑楚光。燃烧气体产物辐射特性的计算模型刀。华南理工大学学报，2002982529. 许多种炉子，如炼钢转炉炼钢电弧炉采用次燃烧的加热炉和热处理等，都存在炉气中可燃物的燃尽问。对此进行了系统综述。在燃烧热力学燃烧动力学和气动力学方面，燃料燃尽过程现出的特点明，该类燃烧过程是在扩散区域进行，为扩散因素所控制，现有描述该过程的维数学模型有待改进，介绍电弧妒中。0燃，例，燃尽率般可达7587，对炉料的给热效率可由40提高到80，可降低电耗25，界燃尽过程放出的热量还可回用预热炉料。在力口热炉方面提出的方案是在均热段和加热段采用富氧空气，但过剩系数1.0，使生成不完全燃烧产物，然后在预热段再喷入空气，使达到燃尽。该方案可减少金属烧损，降低燃料消耗，并