通道内热辐射与湍流强制对流的耦合换热研究
热辐射与对流换热是热量传递的两种基本方式。在涉及高温或热辐射的许多工程技术领域，热辐射与对流换热往往同时存在、相互影响，形成所谓的辐射与对流耦合换热。这种复杂的耦合换热通常在相关物理过程或设备运行中起着重要作用。
由于辐射与对流耦合换热不仅涉及热辐射、对流换热两种基本传热方式的相互作用，而且涉及传热、流动、传质等几种物理过程的耦合，其过程机制、特性规律与影响因素复杂多样。目前，对辐射与对流耦合换热问题的研究还不够充分，尤其缺乏对变物性介质耦合换热特性的认识。因此，深入研究这种复杂的耦合换热过程，不仅是相关工程技术发展的需要，而且对丰富和发展传热学理论有重要意义。
本文以认识通道内热辐射与湍流强制对流的耦合换热特性为目标，重点分析介质非均匀性对热辐射传输与耦合换热过程的影响。在对介质内热辐射传输求解方法进行研究的基础上，采用数值模拟方法，研究通道内变物性参与性介质流、两种介质掺混流、变物性透明气流三类不同的辐射与湍流强制对流耦合换热问题。
主要研究内容包括以下四个方面：
1.介质内热辐射传输求解方法的研究。通过分析比较，选择采用蒙特卡罗法进行耦合换热中的辐射换热求解。为提高蒙特卡罗法的计算效率，开展了统计方法与抽样模式研究，提出了双向统计蒙特卡罗法(BSMC)与等温等权抽样模式，前者提高了计算效率，后者消除了因抽样能束的能量不同而产生的热流统计误差。提出了求解散射性一维梯度折射率介质内热辐射传输的弯曲射线蒙特卡罗法(CRMC)，并将CRMC法与计算域坐标转换相结合，扩展应用于二维梯度折射率介质内的热辐射求解，为进一步的非均匀性耦合换热研究提供了数值技术手段。
2.圆管通道内变物性介质热辐射与湍流正在发展流耦合换热特性的研究。采用控制容积法结合蒙特卡罗法，对定壁温加热、定热流加热、对流冷却三种边界条件下的管内耦合换热进行了数值模拟研究。通过速度场、温度场及热流场的分析，考察了不同边界条件下，介质光学厚度、各向同性散射、辐射一导热参数、壁面发射率等参数在变物性介质耦合换热中的作用特性与影响程度；比较分析了介质变物性与常物性条件下的耦合换热预测结果差别。
3.圆管通道内辐射物性不同的两种组份掺混过程中的耦合换热研究。对管内两层介质层流同向流动掺混、湍流同向流动掺混、冷气流由壁面径向注入掺混三种不同情况，数值模拟了管内的辐射与对流的耦合换热。通过速度场、组份分布及温度场分析，考察了不同掺混方式下，外层介质光学厚度、雷诺数、质扩散系数、冷气流注入率等相关参数与边界条件的影响。
4.环形通道内变物性透明气流与壁面的辐射与对流耦合换热研究。通过数值模拟，分析了通道壁面间辐射换热与气流湍流对流的耦合作用。通过速度场、温度场及热流场分析，考察了入口雷诺数、壁面发射率以及通道几何参数的影响；比较分析了气流物性变化与否所获得的通道内流动和换热数值结果的差别。结合工程需要，对某型航空发动机冷气道与隔热层的耦合传热过程进行了研究，为结构设计提供了依据。
通过本文研究，掌握了通道内非均匀性介质的辐射与湍流对流耦合换热的数值模拟方法，对上述三类通道内的辐射与对流耦合换热特性形成了比较深入细致的认识，得出了一些有参考价值的结论。
非均匀介质;耦合换热;湍流;热辐射
哈尔滨工业大学
博士
工程热物理
谈和平;夏新林
2005
中文
TK123
143
2006-07-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）