燃气轮机燃烧室辐射传热计算方法概述

1、燃气轮机燃烧室辐射传热计算方法概述摘要：燃气轮机燃烧室温度和压力的提升使得辐射传热影响变得非常重要，需 要采用精确的辐射传热模型研究燃烧室内的辐射传热过程，以分析其对燃烧过程、 壁面加热的影响。从高温燃气辐射特性和辐射传热方程的求解两个角度对燃气轮 机燃烧室内辐射传热模型进行了研究概述，指出了各模型的适用范围及优缺点， 为燃气轮机燃烧室辐射传热建模及求解提供了一定的理论指导。关键词：燃气轮机；燃烧室；辐射传热1引言随着燃气轮机性能要求的提升，燃烧室内的温度、压力越来越高1，其中温 度能达到2000多K，压力能达到几十个大气压，这给燃气轮机热防护设计带来了 严峻的考验。在高温高压情况下，辐射换热

2、变得非常重要，其不仅影响燃烧室内 燃烧过程，也是涡轮叶片受热的重要来源2。为了更深地掌握辐射传热对于燃烧 室的影响机理，需要对燃烧室内的辐射传热过程进行准确的建模及模拟3。燃烧 室内辐射传热建模涉及到两个方面，一是辐射参与性介质的辐射特性，主要包括 水蒸气、二氧化碳、一氧化碳以及碳烟的吸收系数，而吸收系数是随波长剧烈变 化的，考虑每个波长的影响将极大地降低计算速度，因此如何建立高效准确的非 灰辐射特性模型是研究重点之一。另外一方面是辐射传递方程的数值求解。由于 辐射传递过程的方向性，辐射传递方程求解还需包含角度空间的离散，离散数少 误差较大，离散数多会降低计算效率。燃气轮机燃烧室是包含湍流、化

3、学反应、 传热传质以及各个耦合过程的复杂多物理场问题，每项的建模及求解都占用一定 时间。为了减少整体计算时间，需要建立高效而又准确的辐射传递方程求解模型。 本文拟从两个角度对燃烧室内辐射传热模型进行综述。2燃气轮机燃烧室燃烧产物辐射特性模型燃气轮机燃烧燃烧产物众多，参与辐射传热过程的主要为二氧化碳、水蒸气、 一氧化碳和碳烟。前三者的辐射特性可以采用气体辐射模型，现有模型主要包括 普朗克灰体模型、灰气体加权和模型（WSGG）、基于谱线的灰气体加权和模型 （SLW）、全光谱k分布模型（FSK）、逐线计算法（LBL）等。由于LBL需要对 每根谱线进行建模，计算极为耗时，不适用于燃气轮机燃烧室内辐射传

4、热过程的 求解。灰气体模型是采用几个灰体模拟吸收系数随波长的变化，根据不同WSGG 模型，灰气体吸收系数是温度、组分浓度的函数，其是通过对灰气体吸收率进行 最小二乘拟合得到的：实际应用时，对每个灰气体循环求解辐射传递方程，最后求和可以求得辐射 源项和热流密度。因为该模型灰气体吸收系数和权重系数是只为温度的函数，所 以对于均匀和非均匀介质计算效率都很高，运用起来也简单，因此受到广泛关注 和欢迎。但是其对非灰特性假设太大，精度有所欠缺。但是目前也发展了很多针 对气体燃烧的高精度的WSGG模型，可以直接应用于燃气轮机燃烧室内辐射传热 过程。SLW方法基于WSGG模型基础，可以灵活增加灰气体个数，且其

5、分布函数是 由高精度数据库得到，精度提高了很多。其关键位吸收线黑体分布函数，定义为: 表示为在沿整个红外光谱，在某一吸收截面下黑体辐射能占整个光谱辐射能的比例。由此函数可以确定每个灰气体的权重系数：而吸收截面可以根绝平方平均值获得：该方法的F分布函数由高精度光谱数据库获得，已有经验关系式和插值表可直接 应用。全光谱k分布法和SLW很类似，只是其积分点不是均匀分布的，而是采用高 斯积分点，因此可以采用较少的灰气体个数达到很高的精度，其相应的辐射传递 方程为：其中吸收系数k和权重a可以根据全光谱k分布数据库获得。碳烟辐射为颗粒辐射，其吸收系数可以通过下述模型进行计算：其系数根据燃烧性质而异。也可以

6、根据此时计算碳烟的普朗克灰体系数系数， 即把碳烟做灰体处理，这也是一般燃烧领域常用方法。3燃烧室辐射传递过程求解模型辐射强度是随空间坐标、角度坐标变化的五维积分微分方程，因此辐射传递 方程的精确求解非常复杂，经过多年发展，目前已有多种辐射传递方程求解方法， 主要分为两类，一种为射线追踪方法，如蒙特卡洛方法和离散传递法，另外一种 是直接求解辐射传递方程的确定性方法，如球谐函数法、离散坐标法、有限体积 法以及有限元方法等。各个方法的求解精度、计算效率都不尽相同，其在燃气轮 机燃烧室的适用范围还有待研究。球谐函数法主要思想是辐射强度在角度空间进行级数展开，忽略其在水平方 位的变化，把原来的积分微分方

7、程化成为二阶椭圆偏微分方程，因此求解效率较 高。根据其对级数截取项的多少，可分为一阶、三阶以及更高阶的球谐法。一阶 球谐函数法因为简单高效，受到广泛采用，其缺点是主要在光学厚模型下具有较 高的准确性，而在光学厚度较小的情况下误差较大，且方程求解收敛性较差。离散坐标法是把角度空间离散化，则原来的辐射传递方程转化为：每个方向的辐射传递方程都是一个一阶对流方程，可以采用有限体积法或者 有限元法进行空间网格划分然后求解。对所有方向的方程求解之后，对所有的辐 射强度进行求和运算，就可以得到辐射源项或者热流密度。该方法因为考虑了辐 射强度随角度的变化，因此比球谐函数更为准确，但是计算效率相比就稍微低。有限体积法和离散坐标法类似，区别在于其角度空间是根据经度和纬度划分 的，也可以保证辐射能在角度空间的守恒，因此也是较为常用的方法，尤其是在 耦合流动传热燃烧问题中，因为有限体积法是目前求解NS方程最多的方法之一。4结论燃气轮机性能的提升导致燃烧室内燃气温度、压力增加，辐射传热变得非常重要。 文章对适用于燃气轮机燃烧室辐射传热的模型进行了研究概述，主要从燃气辐射 特性和辐射传递方程求解两个方面进行了细致的介绍。各模型在燃烧室内性能还 有待研究。参考文献孙婷,王成军，江平.燃料特性对燃气轮机