CN107391894A - 一种复杂结构辐射换热计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂结构辐射换热计算方法，提出了把蒙特卡洛方法、区域法和射线踪迹法相结合的改进型蒙特卡洛区域射线踪迹法，解决了气体区域可能存在的自区辐射问题，适合于复杂结构的辐射换热角系数计算，同时该方法分离了概率模拟统计和温度场迭代求解，使得温度场变化时候无需重新进行能束的概率模拟，只需要对能量平衡方程进行重新求解，减少了计算量。
Description
技术领域
本发明涉及辐射换热计算领域，特别是一种复杂结构辐射换热计算方法。
背景技术
目前国内外传统蒙特卡洛方法采用抽样能束携带能量的思想，没有有效分离能束跟踪模拟过程与能量平衡方程的求解，使得温度场内部温度变化时候需要重新计算。并且也没有考虑自区辐射的问题，使得在计算气体区域直接交换面积时候数据结果被夸大，无法解决复杂结构下的辐射换热计算。与此同时，在计算温度场的辐射交换过程，把介质看成辐射灰体，没有充分考虑复杂冶金加热炉中的非灰气体环境，使得计算结果与实际结果误差较大。
发明内容
本发明旨在提供一种复杂结构辐射换热计算方法，解决气体区域可能存在的自区辐射问题，分离了概率模拟统计和温度场迭代求解，使得温度场变化时候无需重新进行能束的概率模拟。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种复杂结构辐射换热计算方法，包括以下步骤：
1)考虑非灰气体辐射环境，对辐射换热区域和被加热体受热面进行区域网格绘制：在空间立体坐标中确定加热炉的炉壁边界顶点，作为总辐射交换区域，再确定钢坯受热体的空间几何顶点坐标，作为直接辐射交换区域，采用区域法的区域网络划分的思想，其中加热炉的外壳边界为粗网格划分，用于判断是否遮挡；对总辐射交换区域和直接辐射交换区域的气体区域空间和固体表面区域进行精细网格划分，每一细网格区域看成一个微元表面，粗网格确定了加热炉的总体结构范围，细网格则用于计算加热区域的总辐射交换区域和直接辐射交换区域；
2)将气体区域空间和固体表面区域分别划分为若干微小的气体区域和表面区域，把这些微小区域看成均匀温度段并且物性是一致的，再利用区域法求出各表面间辐射传递系数MTi,j；同时，充分考虑辐射换热系统中非灰介质对能量光束的吸收和散射对于辐射换热的影响，利用改进型蒙特卡洛法从第一个细网格区域1开始直到最后的细网格区域M，依次跟踪每个细网格区域发射的每一束能束在辐射交换区域的吸收和散射情况，推导出抽样能束的发射点位置、发射方向、传递距离、吸收以及反射的概率模型，对于计算直接辐射交换区域时存在的自区辐射问题，进行角系数误差修正；
3)利用修正后的角系数误差，求解直接辐射交换区域和总辐射交换区域，建立每个细网格的能量平衡方程组，并与各表面段导热微分方程相互耦合，得到细网格区域和粗网格区域的热流。
步骤2)中，利用改进型蒙特卡洛法从第一个细网格区域1开始直到最后的细网格区域M，依次跟踪每个细网格区域发射的每一束能束在辐射交换区域的吸收和散射情况的具体实现过程包括：
1)读入参数nz×ny、oz×oy、NM、M；Nm为任一表面Ai向外界发射的能束总数；其中nz表示z方向对应的表面；ny表示y方向对应的表面；oz表示x方向的气体区域；oy表示y方向的气体区域；
2)设微元i＝1；
3)设总能束的第一条Nb＝1；
4)进行能束跟踪；
5)令Nb的值加1；
6)判断Nb是否大于NM，若是，则i的值加1，判断i是否大于M，若否，则返回步骤3)，若是，则进入步骤7)；否则，返回步骤4)；
7)统计所有微元面之间的辐射传递系数MTi,j，结束。
进行能束跟踪的具体实现过程包括：
1)确定发射点P1和发射方向ω；
2)根据下式确定发射终点P2＝P1+lz×ω；lz为辐射传递距离；
3)判断P2是否在辐射换热系统内，若是，则P2在参与性介质单元J内，判断P2是否被介质单元J吸收，若是，则能束被介质单元J吸收，结束，若否，则确定散射方向ω'，以散射方向ω'替代发射方向ω，并设P1＝P2，返回步骤2)；否则，将射线与表面单元K的角点设为P2，判断P2是否被表面单元K吸收，若是，则能束被表面单元K吸收，结束，若否，则设P1＝P3，判断是否发射镜面反射，若是，则确定镜面反射方向，并以镜面反射方向为发射方向ω，返回步骤2)，若否，则确定漫反射方向，并以漫反射方向为发射方向ω，返回步骤2)。
步骤2)中，角系数误差修正方法为：当r≤0.1时，按照下式修改两个微面单元间的距离r：dx、dy、dz为气体空间区域尺寸。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明提出了把蒙特卡洛方法、区域法和射线踪迹法相结合的改进型蒙特卡洛区域射线踪迹法，解决了气体区域可能存在的自区辐射问题，适合于复杂结构的辐射换热角系数计算，同时该方法分离了概率模拟统计和温度场迭代求解，使得温度场变化时候无需重新进行能束的概率模拟，只需要对能量平衡方程进行重新求解，减少了计算量。
附图说明
图1(a)—图1(c)为三种直接交换区域；图1(a)为表面之间；图1(b)为表面与气体区域；图1(c)为气体区域之间；
图2改进型MCZR方法求解辐射传递系数流程图；
图3改进型MCZR方法追踪单个能束过程流程图；
图4气体区域和四个表面区域示意图；
图5距离r对于辐射误差的影响(角系数误差修正)；
图6表面之间的直接交换区域误差百分比和CPU计算时间(以s1s2为例)；
图7表面与气体区域的直接交换区域误差百分比和CPU计算时间(以s3g1为例)；
图8气体区域之间的直接交换区域误差百分比(以g1g1为例)；
图9加热炉操作平面图；
图10加热炉空间结构示意图；
图11钢坯上表面温度仿真数据；
图12钢坯中心温度仿真数据；
图13钢坯下表面温度仿真数据。
具体实施方式
本发明具体实现过程如下：
a、考虑灰非辐射气体环境，将辐射换热区域和被加热体受热面进行区域网格绘制。
在空间立体坐标中确定加热炉的炉壁边界顶点，作为总辐射交换区域。再确定钢坯受热体的空间几何顶点坐标，作为直接辐射交换区域。并利于空间几何坐标方法，对钢坯受热体进行区域网格绘制，将钢坯受热区域分解成多个网格编号的局部区域。考虑非灰气体辐射环境，将总交换区域及直接交换区域和被加热体受热面进行区域网格绘制。采用区域法的区域网络划分的思想，其中加热炉的外壳边界为粗网格划分，用于判断是否遮挡；对辐射换热区域的气体区域和固体表面区域进行精细网格划分，每一细网格区域看成一个微元表面。粗网格确定了加热炉的总体结构范围，细网格则用于计算加热区域的总交换区域和直接交换区域(图1(a)—图1(c))。
b、根据气体区域空间和固体几何空间分别划分若干微小的气体区域和表面区域，把这些微小区域看成均匀温度段并且物性是一致的，再利用区域法(ZM)求出各表面间辐射传递系数MTi,j(图2)。与此同时，充分考虑辐射换热系统中非灰介质对能量光束的吸收和散射对于辐射换热的影响，利用改进型蒙特卡洛法从细网格区域1开始直到最后的细网格区域M，依次跟踪每个细网格区域发射的每一束能束在辐射交换区域的吸收和散射情况(图3)，推导出抽样能束的发射点位置、发射方向、传递距离、吸收以及反射的概率模型，对于计算直接交换区域(图4)时存在的自区辐射问题，进行角系数误差修正(图5)。结果(图6、图7、图8)表明，MCZR在计算表面区域与气体区域的直接交换面积DEA有较精确的计算结果，同时解决气体区域存在的自区辐射的问题。根据计算结果得到不同表面、气体区域之间的直接交换区域和总交换区域。
c、求解直接交换区域和总交换区域来建立每个网格的能量平衡方程组，并与各表面段导热微分方程相互耦合，得到各网格区域的热流。
从能量平衡的角度考虑，对加热炉内各区域、各受热面(包括加热炉内壁面和被加热物体表面)进行能量衡算(包括炉内空间对流和辐射换热，以及钢坯内部的导热)，得到一组关于炉内各区域内、各受热面(包括钢坯各受热面)气体温度的非线性方程组，再利用Newton-Raphson数值计算方法对其进行求解，进而得到加热炉内各区域和受热面的辐射热流量。
基于蒙特卡洛区域射线踪迹法(MCZR)辐射换热计算的进一步研究，以我国某钢铁厂的三段式步进梁式钢坯加热炉结构为模型(图9)来进行仿真实验。
(1)步进梁式钢坯加热炉模型首先通过SolidWorks软件进行部件三维设计并把各部件安装成装配体(图10)，接着把后缀.step的加热炉结构文件导入xflow软件进行温度场仿真研究。
(2)MCZR方法采用了区域法的区域网络划分的思想，其中加热炉的外壳边界为粗网格划分；燃烧室内部气体空间、烧嘴部件和钢坯表面微细网格划分，其中加热炉燃烧室的细网格单位为0.2m，能够满足较高精度同时保证计算效率，烧嘴和钢坯的细网格单位为0.05m，保证了良好的钢坯表面热流计算精度。总共把加热炉燃烧室划分为43063个区域。
(3)利用MCZR方法的计算结果得到直接交换区域和总交换区域。从能量平衡的角度考虑，对加热炉内各区域、各受热面(包括加热炉内壁面和被加热物体表面)进行能量衡算(包括炉内空间对流和辐射换热，以及钢坯内部的导热)，得到一组关于炉内各区域内、各受热面(包括钢坯各受热面)气体温度的非线性方程组，再利用Newton-Raphson数值计算方法对其进行求解，进而得到加热炉内各区域和受热面的辐射热流量。
(4)加热炉温度场的仿真研究结果。从仿真结果的燃烧室温度场沿Y轴的横截面，在左边温度场平均温度为1000℃，而右边温度场平均温度为1250℃。钢坯受热面的温度分布结果显示，钢坯温度在预热区和加热区逐渐升高，而在均热区基本保持不变，其中预热区的温度度大约在600℃至900℃之间，满足了钢坯粗轧的合理温度，加热区的温度大约在1000℃至1200℃之间，使钢坯的表面迅速到达预期合理温度，而均热区的钢坯表面温度基本稳定在1200℃左右，避免了钢坯因为过烧导致的质量问题。此外钢坯表面温度仿真数据(图11、图12、图13)结果均表明，根据国内某钢铁厂的某型号钢坯加热工业标准，MCZR辐射换热计算方法进行钢坯加热炉仿真模拟，钢坯的上表面、中心温度和下表面的模拟温度按照工业标准其合格率分别为86％、82.8％和81.25％，钢坯仿真模拟结果趋向于工业实际值。验证了MCZR辐射换热计算方法的有效性。
Claims (4)
1.一种复杂结构辐射换热计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)考虑非灰气体辐射环境，对辐射换热区域和被加热体受热面进行区域网格绘制：在空间立体坐标中确定加热炉的炉壁边界顶点，作为总辐射交换区域，再确定钢坯受热体的空间几何顶点坐标，作为直接辐射交换区域，采用区域法的区域网络划分的思想，其中加热炉的外壳边界为粗网格划分，用于判断是否遮挡；对总辐射交换区域和直接辐射交换区域的气体区域空间和固体表面区域进行精细网格划分，每一细网格区域看成一个微元表面，粗网格确定了加热炉的总体结构范围，细网格则用于计算加热区域的总辐射交换区域和直接辐射交换区域；
2)将气体区域空间和固体表面区域分别划分为若干微小的气体区域和表面区域，把这些微小区域看成均匀温度段并且物性是一致的，再利用区域法求出各表面间辐射传递系数MTi,j；同时，充分考虑辐射换热系统中非灰介质对能量光束的吸收和散射对于辐射换热的影响，利用改进型蒙特卡洛法从第一个细网格区域1开始直到最后的细网格区域M，依次跟踪每个细网格区域发射的每一束能束在辐射交换区域的吸收和散射情况，推导出抽样能束的发射点位置、发射方向、传递距离、吸收以及反射的概率模型，对于计算直接辐射交换区域时存在的自区辐射问题，进行角系数误差修正；
3)利用修正后的角系数误差，求解直接辐射交换区域和总辐射交换区域，建立每个细网格的能量平衡方程组，并与各表面段导热微分方程相互耦合，得到细网格区域和粗网格区域的热流。
2.根据权利要求1所述的复杂结构辐射换热计算方法，其特征在于，步骤2)中，利用改进型蒙特卡洛法从第一个细网格区域1开始直到最后的细网格区域M，依次跟踪每个细网格区域发射的每一束能束在辐射交换区域的吸收和散射情况的具体实现过程包括：
1)读入参数nz×ny、oz×oy、NM、M；Nm为任一表面Ai向外界发射的能束总数；其中nz表示z方向对应的表面；ny表示y方向对应的表面；
oz表示x方向的气体区域；oy表示y方向的气体区域；
2)设微元i＝1；
3)设总能束的第一条Nb＝1；
4)进行能束跟踪；
5)令Nb的值加1；
6)判断Nb是否大于NM，若是，则i的值加1，判断i是否大于M，若否，则返回步骤3)，若是，则进入步骤7)；否则，返回步骤4)；
7)统计所有微元面之间的辐射传递系数MTi,j，结束。
3.根据权利要求2所述的复杂结构辐射换热计算方法，其特征在于，进行能束跟踪的具体实现过程包括：
1)确定发射点P1和发射方向ω；
2)根据下式确定发射终点P2＝P1+lz×ω；lz为辐射传递距离；
3)判断P2是否在辐射换热系统内，若是，则P2在参与性介质单元J内，判断P2是否被介质单元J吸收，若是，则能束被介质单元J吸收，结束，若否，则确定散射方向ω'，以散射方向ω'替代发射方向ω，并设P1＝P2，返回步骤2)；否则，将射线与表面单元K的角点设为P2，判断P2是否被表面单元K吸收，若是，则能束被表面单元K吸收，结束，若否，则设P1＝P3，判断是否发射镜面反射，若是，则确定镜面反射方向，并以镜面反射方向为发射方向ω，返回步骤2)，若否，则确定漫反射方向，并以漫反射方向为发射方向ω，返回步骤2)。
4.根据权利要求1所述的复杂结构辐射换热计算方法，其特征在于，步骤2)中，角系数误差修正方法为：当r≤0.1时，按照下式修改两个微面单元间的距离r：
dx、dy、dz为气体空间区域尺寸。
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