Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Исследование влияния рассеяния на радиационный теплоперенос в дисперсных средах, представляющих собой смесь селективно излучающих и поглощающих газов и рассеивающих частиц, имеет важное значение для решения таких научных и практических проблем, как радиационный и сложный теплообмен, распространение излучения в атмосфере, перенос нейтронов в ядерных реакторах, прямые и обратные задачи спектроскопии рассеивающих сред и т.п. Успешное решение таких важных практических задач, как разработка новых и модернизация существующих высокотемпературных технологий, увеличение мощности энергоблоков, усовершенствование методов дистанционного неразрушающего контроля и т.п. во многом зависит от точности и скорости расчета характеристик радиационного теплопереноса. Это влечет за собой необходимость создания более совершенных методов их расчета.
Для корректного расчета характеристик радиационного теплообмена в нагретых дисперсных средах с учетом рассеяния и собственного излучения необходимо решать интегродифференциальное уравнение переноса излучения, которое содержит коэффициент поглощения, учитывающий селективные свойства среды. Поэтому при его численном решении необходимо производить интегрирование не только по пространственным переменным, но и по спектру излучения. Решение интегродифференциаль-ного уравнения переноса излучения даже в случае изотропной среды связано с определенными математическими трудностями, особенно в случае многомерной геометрии. Включение же интегрирования по частоте делает эту задачу во многих случаях практически не решаемой.
Поэтому наряду с выяснением основных закономерностей влияния рассеяния на характеристики радиационного переноса в селективно излучающих и поглощающих дисперсных средах большое внимание в диссертации уделено разработке эффективной методики определения осредненного в конечном спектральном интервале коэффициента поглощения таких сред с учетом рассеяния, позволяющей не проводить интегрирования уравнения переноса по частотной переменной, что существенно сокращает время расчета и значительно расширяет круг решаемых задач.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Представленная работа выполнялась с 1997 по 2000 год в рамках Государственной программы фундаментальных исследований "Энергетика 1996-2000" по теме "Теплофизика и теплоэнергетика (Энергетика-09)" .
Цель и задачи исследования. Цель работы - анализ и оценка влияния рассеяния на характеристики радиационного теплопереноса в селективно излучающих и поглощающих дисперсных средах и разработка эффективной
методики их расчета. Для достижения сформулированной цели необходимо решить следующие задачи:
- выбрать эффективный метод численного решения интегро-
дифференциального уравнения переноса излучения, разработать алгоритм и
программу расчета;
- численно исследовать радиационный теплоперенос в излучающих и
поглощающих дисперсных средах, выявить его основные закономерности и
оценить влияние рассеивающего фактора на интенсивность и плотность
потока выходящего теплового излучения;
- разработать расчетно-теоретическую модель радиационного переноса в изолированной спектральной линии с учетом рассеяния, исследовать и оценить зависимость формы контура выходящего излучения от ее спектроскопических параметров и коэффициента рассеяния;
- разработать эффективную методику определения осредненного в
конечном спектральном интервале коэффициента поглощения селективного
компонента дисперсной среды с учетом рассеяния;
Объект и предмет исследования.
Объектом исследования является радиационный теплоперенос в излучающих и поглощающих дисперсных средах.
Предметом исследования является расчетно-теоретическая модель радиационного теплопереноса в излучающих и поглощающих дисперсных средах, базирующаяся на решении интегродифференциального уравнения переноса.
Методология и методы проведенного исследования.
Для решения поставленных задач использован метод математического моделирования и численного исследования. Автором разработаны алгоритм и программа расчета интегродифференциального уравнения переноса излучения, базирующиеся на высокоэффективном аналитико-численном методе его решения, и проведены необходимые численные расчеты. Для обработки полученных численных результатов использовались методы корреляционного анализа.
Научная новизна и значимость полученных результатов.
Подробно проанализировано влияние процессов рассеяния на интенсивность и плотность потоков теплового излучения дисперсной среды в широком диапазоне изменения ее оптических параметров. Установлено, что присутствие частиц может приводить как к увеличению интенсивности выходящего излучения в некоторых направлениях, так и к его уменьшению.
Впервые выяснены основные закономерности влияния рассеяния на радиационный перенос в изолированной спектральной линии на примере широко используемой модели инфракрасных полос излучения газов - модели равноотстоящих линий (Эльзассера) с лоренцевским контуром.
Впервые исследовано влияние коэффициента рассеяния среды на контур выходящего излучения в зависимости от спектроскопических параметров линий поглощения (силы, полуширины и расстояния между ними).
Разработана эффективная методика определения осредненного в конечном спектральном интервале коэффициента поглощения селективного компонента дисперсной среды с учетом рассеяния. Получены таблицы точных значений поправочных коэффициентов для учета контура линии поглощения выходящего излучения в нерассеивающей среде и влияния рассеяния на форму этого контура, а также удобные формулы для их приближенного расчета.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность предложенной методики расчета эффективного коэффициента поглощения селективной среды в конечном спектральном интервале в диапазоне давлений от 0.5 до 2.0 атм. и температур от 500 до 3000K подтверждается хорошим совпадением результатов, полученных при ее использовании, с опубликованными экспериментальными и теоретическими данными других авторов.
Практическая значимость полученных результатов.
Полученные результаты дают возможность при анализе конкретных физических ситуаций более корректно оценить роль процессов рассеяния в формировании теплового излучения селективно излучающей и поглощающей газовой среды при наличии в ней рассеивающих частиц. Такие задачи имеют место в теплофизике, энергетике, экологии, оптике рассеивающих сред и т.п.
Полученные таблицы точных значений поправочных коэффициентов для учета контура выходящего излучения в нерассеивающей среде и влияния рассеяния на форму этого контура, а также приближенные формулы для прямого вычисления коэффициента поглощения, осредненного в конечном спектральном интервале, дают возможность существенно повысить скорость расчетов и расширить круг решаемых реальных задач радиационного теплообмена.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
- численный алгоритм и программа расчета интегродифференциального
уравнения переноса излучения в плоском слое излучающей и поглощающей
дисперсной среды;
анализ и оценка результатов влияния процессов рассеяния на интенсивность и плотность потоков теплового излучения плоского слоя излучающей и поглощающей дисперсной среды;
расчетно-теоретическая модель и методика исследования характеристик радиационного переноса в изолированной спектральной линии излучения (поглощения) селективной среды с рассеянием;
результаты анализа и оценки влияния рассеяния на контур выходящего излучения в зависимости от спектроскопических параметров линий поглощения (силы, полупшрины и расстояния между ними) на примере широко используемой модели инфракрасных полос излучения газов - модели равноотстоящих линий (Эльзассера ) с лоренцевским контуром;
методика определения осредненного в конечном спектральном интервале коэффициента поглощения селективно излучающей и поглощающей дисперсной среды с учетом рассеяния;
таблицы точных значений поправочного коэффициента для учета контура линии поглощения в нерассеивающей среде и поправочного коэффициента для учета влияния рассеяния на этот контур, а также формулы для их приближенного расчета.
Личный вклад соискателя заключается в решении принципиальных теоретических проблем, связанных с построением расчетио-теоретических моделей переноса излучения в дисперсных средах, в разработке алгоритма и программы численного решения интегродифференциального уравнения переноса излучения, а также в получении всех численных результатов, их интерпретации и обобщении.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 4-м Минском международном форуме по тепломассообмену, май 2000г.
Опубликоваиность результатов. По теме диссертации опубликовано 2 научных статьи в рецензируемых журналах и одна в трудах международного форума (всего 23 страницы).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех оригинальных глав, заключения, списка использованных источников. Полный объем диссертации содержит 101 машинописную страницу, включает 73 иллюстрации, которые занимают 28 страниц, 11 таблиц. Общее количество используемых источников составляет 79 наименований, занимающих 5 страниц.