Введение к работе
Актуальность темы. Теплообмен излучением играет важную роль в передаче энергии во множестве процессов как природных, так и антропогенных. При высоких температурах среды излучение часто является доминирующим способом передачи тепловой энергии, как правило, это процессы, связанные с горением. Так, например, доля радиационного теплообмена в угольных топках может достигать 95%, а при пожарах доминирование радиационного теплообмена над конвективным наступает при температурах выше 400 С. Поэтому учет излучения в процессах, связанных с переносом энергии крайне важен. Моделирование процесса радиационного теплообмена является очень сложной и ресурсоемкой задачей. В отличие от остальных процессов тепломассопереноса, при которых обмен энергии происходит лишь локально, при радиационном теплообмене каждая точка среды находится в непосредственном взаимодействии со всем пространством, и решение интегро-дифференциальных уравнений, описывающих этот процесс, очень трудоемко. Поэтому моделирование переноса излучения при решении прикладных задач с учетом необходимости минимизации вычислительных затрат и сохранении приемлемой точности является актуальной задачей.
При решении задач радиационного теплопереноса используются модели либо специализированные под конкретный класс задач, либо простые модели, приближенно описывающие перенос излучения, либо достаточно универсальные, но требующие существенных вычислительных ресурсов. Поэтому данная работа посвящена разработке методов и реализации универсальной адаптивной математической модели для расчета лучистого теплообмена применительно к задачам горения.
Целью работы является:
Разработка и реализация эффективной методики для моделирования лучистого теплообмена, позволяющей построить корректную модель радиационного теплопереноса применительно к пространственному моделированию высокотемпературных технологических процессов и пожаров. Проведение анализа эффективности представленных методов для задач газового горения.
Научная новизна:
Для конечно-объемного метода решения уравнения радиационного теплопереноса разработаны процедуры локального расщепления телесного угла и угловой многоблочности для трехмерных задач, позволяющие повысить точность решения.
Предложен новый метод расчета лучистого теплообмена на основе комбинации диффузионного приближения и метода конечных объемов, отличающийся высокой эффективностью при использовании спектральных моделей коэффициента поглощения.
Разработана эффективная технология создания полосных моделей коэффициента поглощения с использованием базы данных спектральных
свойств газов HITRAN, позволяющая моделировать лучистый теплообмен для широкого класса задач.
Реализована математическая модель решения уравнения радиационного теплопереноса, показавшая высокую эффективность работы, как в тестовых примерах, так и для задач газового горения.
Созданные численные алгоритмы и методы решения уравнения радиационного теплообмена реализованы в рамках комплекса программ для решения задач вычислительной гидродинамики.
Впервые выполнено моделирование лучистого теплообмена с учетом селективности излучения для горелочного устройства по дожиганию анодных газов с локальной инжекциеи воздуха. Показано, что модели «серого» газа приводят к значительному занижению температуры в горелочном устройстве по сравнению с данными эксперимента и моделями, учитывающими селективность излучения.
Показана эффективность применения комбинированного метода расчета уравнения радиационного теплопереноса с WSGG моделью коэффициента поглощения в оптически толстых средах, позволяющего существенно сократить время расчета без потери точности, на примере моделирования топочной камеры газового котла.
В рамках решения задачи растепления грунта (таяния льда) в условиях вечной мерзлоты при возникновении пожара на газовой скважине установлено, что наиболее опасным, по уровню потока радиационной энергии на грунт, является диффузионный факел.
Достоверность полученных результатов подтверждена проведением многочисленных тестовых расчетов и сравнением результатов численного моделирования с данными эксперимента. Результаты проведенных в настоящей работе тестовых расчетов качественно и количественно согласуются с аналитическими решениями и расчетами других авторов. Проведенное сравнение результатов моделирования горелочного устройства с данными эксперимента показало адекватность созданной математической модели.
Автор защищает:
Метод решения уравнения радиационного теплопереноса с учетом спектральных свойств среды, основанный на совместном использовании методов дискретного переноса и диффузионного приближения.
Технологию создания полосных моделей коэффициента поглощения на основе базы данных спектральных свойств газов HITRAN.
Усовершенствование конечно-объемного метода решения уравнения радиационного теплопереноса для трехмерных задач.
Результаты численного исследования лучистого теплообмена в горелочном устройстве.
Результаты численного исследования опасности различных типов пожаров на газовой скважине в условиях вечной мерзлоты применительно к лучистому теплопереносу.
Результаты исследования эффективности предлагаемых методов решения лучистого теплопереноса.
Практическая ценность. Предложенный метод расчета задач радиационного теплопереноса, основанный на совместном использовании методов дискретного переноса и диффузионного приближения, позволяет снизить вычислительные затраты, что крайне важно для практических задач. Реализованный метод расчета радиационного переноса встроен в универсальный программный комплекс вычислительной гидродинамики «SigmaFlow» и специализированный программный комплекс для расчета пожаров «SigmaFire». Разработанные и реализованные численные алгоритмы были использованы для решения ряда важных прикладных задач: расчеты газовой топки и тарелочного устройства, моделирование пожаров в помещениях и растепления грунта при пожаре на газовой скважине. Разработанное программное обеспечение используется в процессе обучения студентов кафедр «Теплофизика» и «Пожарная промышленная безопасность» ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».
Личный вклад. Постановка задачи исследования, разработка и апробация методов расчета задач радиационного теплопереноса, применение реализованных методов к решению задач газового горения, проведение анализа полученных результатов.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: IV, VI Всероссийских конференциях молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2003, Кемерово, 2005), IV Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири» (Красноярск, 2005), XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Санкт-Петербург. 2007), VI Минском международном форуме по тепло-массообмену. (Минск, 2008), VI Всероссийском семинаре по теплофизике и теплоэнергетике. (Красноярск, 2009), XXII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Москва, 2010), V Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2010), Всероссийской конференции «XXIX Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск, 2010), VII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Кемерово, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 6 в реферируемых журналах, из которых 4 в перечне ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации - 123 страницы текста, 59 рисунков и 8 таблиц. Список литературы насчитывает 102 наименования.
