2.1 反向蒙特卡洛方法计算红外辐射正确性
采用《传热学》[10]标准算例9-8对所编写的反向蒙特卡洛程序进行验证计算。该尾焰流场以x轴正方向为尾焰喷流方向。参数如表1所示。
表1 等温流场参数
Tab.1 Parameters of isothermal flow field
计算得到尾焰流场圆柱侧表面的辐射强度,如图3所示。
图3 柱面辐射强度结果
Fig.3 Results of cylindrical radiation intensity
圆柱侧面的总辐射热量为1.5*10
5 W。总辐射热量与标准验证算例的数据相对误差1.06%。从柱面热流密度分布规律上来看,柱面探测面中心区域出现热流密度最大值,以柱面中心端面为中心向底面呈对称趋势减小,并且相同x截面上的辐射强度数值大小十分相近。
在圆柱流场模型x=0 m,计算得到尾焰流场底面辐射强度如图4所示。
图4 底面辐射强度结果
Fig.4 Results of bottom radiation intensity
底面的总辐射热量为1.8*10
4 W,总辐射热量与标准验证算例相对误差5%。从辐射分布规律上来看,底面中心区域出现热流密度最大值,并以此为中心沿径向呈逐渐降低趋势,同心圆上的辐射强度数值大小十分相近,例题与程序计算结果如
表2所示。
表2 例题与程序结果对比
Tab.2 Comparison of example and program results
综上所述,本文的辐射计算结果与教材算例相比,辐射强度分布规律符合基本理论,总辐射热量的误差在可接受范围内,可以认为本程序的计算结果是正确的。
2.2 遮挡对复燃尾焰流场红外辐射的影响
基础流场出自文献[11],其温度云图如图5所示。
图5 尾焰流场温度云图
Fig.5 Temperature cloud map of flame flow field
流场、遮挡物和探测面三者间的相对位置如
图6所示。计算探测面的红外辐射并记录射线路径。结果中仅显示进入流场区域的射线,被遮挡和溢出流场等未与流场相交的射线则未显示。这样的好处是可以清楚地展示遮挡物体的遮挡效应。计算了平板、管、杆等典型的遮挡物结构时的辐射。流场、遮挡和探测面的几何参数如
表3所示。计算时发射5 000条射线。
图6 流场、遮挡面和探测面三者之间相对位置关系
Fig.6 Relative positional relationship among flow field,shading surface and detection surface
表3 流场遮挡物和探测面几何参数
Tab.3 Geometric parameters of flow field shielding and detection surface
无遮挡物体时,射线发射情形如图7所示。图中的圆柱是流场区域,射线从探测面元外法向出发,进入流场区域,最终被吸收。外法向与探测平面所形成的半球空间内,射线的分布对称于外法向,除半球空间部分低纬度的射线由于未进入流场区域没被记录外,射线充满了半球空间。符合物理规律。
图7 无遮挡时射线发射情形
Fig.7 Radiation emission situation without shielding
增加平板类遮挡,其几何参数如
表3所示。结果如
表4所示,射线减少18.47%,辐射强度减少24.57%,遮挡效应明显。
仅增加圆柱类遮挡,模仿真实系统的管、杆等结构。结果如表4所示,遮挡效应明显。射线被圆柱体遮挡情形如图8所示,与无遮挡情况对比,图中间部分形成一个没有射线的区域,被遮挡之后,射线无法穿透遮挡物进入流场区域。
对于上述的板和圆柱类遮挡,遮挡物的存在阻止了射线进入流场中心高温区,而辐射强度大小与温度最为相关,所以辐射强度减少的幅度要大于射线减少的幅度。
图8 射线被圆柱体遮挡
Fig.8 Rays blocked by the cylinder
表4 计算结果
Tab.4 Calculation results
针对圆柱类遮挡,仅改变圆柱半径,所得辐射数值变化折线图如图9所示。随着圆柱尺寸变大,辐射热流密度数值逐渐减小,遮挡效应增强。该变化规律符合理论。
图9 圆柱遮挡物不同半径下的辐射强度
Fig.9 Radiation intensity at different radius of cylindrical shield
针对圆柱类遮挡,固定探测面和流场位置,仅改变圆柱的位置,使得圆柱与探测面之间的距离变化。所得辐射数值变化折线图如
图 10中的方块点曲线。
图 10 圆柱遮挡物不同位置下的辐射强度
Fig.10 Radiation intensity at different positions of cylindrical shield
随着圆柱圆心y坐标增大,其距离探测面越来越近,辐射热流密度数值逐渐减小,可见遮挡效应增强。遮挡的y坐标4~6.5 m段,即遮挡距离探测面3~0.5 m段,辐射强度出现骤降,该现象原因是:① 辐射强度与温度最为相关。流场非均匀,其轴线附近是温度最高区域,随着遮挡与探测面距离越来越近,探测面发射的射线逐渐不能进入高温区,辐射强度出现骤降; ② 距离对辐射骤降的影响不是线性的。以
图 11遮挡圆截面为例。
图 11 遮挡半角变化
Fig.11 Change of shielding half angle
图 11中y坐标每次增加Δx,可以得到第n次的遮挡半角
θn=arcsinR/(d0+n*Δx)(7)
设Δθ=θn-θn+1,n取0~12,得到Δθ-y曲线,如图 10中三角点曲线,可见随着y坐标增大,遮挡与探测面越来越近,即n值减少,遮挡半角增幅逐渐加大,也就是遮挡效应骤增,与辐射强度下降趋势相反。直径截面规律与上述相似。上述两种因素共同作用,导致了辐射强度—y坐标曲线出现骤降。
2.3 火箭发动机推力室上方红外辐射计算
本文针对上述的复燃尾焰流场的推力室,计算了该液体火箭发动机推力室的头部上方若干个位置的辐射。此情形下,推力室作为遮挡物。推力室几何参数如表5所示。
表5 推力室设计参数
Tab.5 Design parameters of thrust chamber
采用结构化网格划分发动机结构。按照其排布规律,计算出的发动机的子平面法向量是外法向量,满足遮挡算法要求。计算射线5 000条。
3个探测面与发动机的相对位置如图 12所示。探测面的法向量均是指向发动机的。
图 12 3个探测面与发动机的相对位置
Fig.12 Relative position of three detection surfaces and engine
对于探测面,存在发动机作为遮挡物时,射线发射情况如
图 13所示,可以看出射线与遮挡存在交汇处,射线被吸收,而终止行进,
图 13(b)发动机后出现光线缺口; 其他进入流场的部分当满足公式时终止。
图 13 有遮挡时探测面1发射射线情形
Fig.13 Emitting rays of detecting surface 1 with shielding
探测面1、2和3计算所得辐射结果如
表6所示。
表6 探测点辐射强度数值
Tab.6 Radiation intensity value of detection point
有遮挡时,3个探测面的辐射强度数值很接近,均在3 600 W/m2; 探测面2与探测面3相比,探测面2更接近推力室轴线,被遮挡程度更甚,所以辐射强度下降更多,约为28%,探测面3辐射强度略大; 无遮挡时,探测面1辐射强度数值最大,约为11 180 W/m2,探测面2的辐射强度稍大于探测面3,约为5 100 W/m2 和4 490 W/m2。探测面2相比于探测面3距离流场轴线更近,所以辐射强度数值更大。