圆柱系统中辐射传热的配置点谱方法研究

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辐射是三种基本的传热模式之一,广泛存在于工业、军事和医学等许多领域。辐射的行为可由微积分形式的辐射传递方程描述,辐射传递方程的准确求解是理论分析辐射传热过程的前提。在轴对称系统的辐射传热研究中,采用圆柱坐标系可以简化问题。然而,目前圆柱坐标系下的辐射传递方程求解方法,如常用的离散坐标法,存在计算代价高、计算精度低等问题,在圆柱坐标系下开发高效精确的求解方法仍是亟需解决的难题。配置点谱方法是一种对光滑函数具备无穷阶收敛精度的方法,已经广泛应用于各类流动传热问题的分析中,最近在直角坐标系下的辐射传热求解中也逐渐得到关注。
  本文首先导出了配置点谱方法的显式表达式以减少其实施难度,并基于Schur分解法发展了高效的矩阵迭代求解器,为顺利开发圆柱坐标系下辐射传递方程的配置点谱方法求解器奠定了基础,也为今后圆柱系统中的辐射流体力学、辐射磁流体力学不稳定性分析等提供了技术支撑。
  其次,通过采用配置点谱方法求解与角向无关的辐射微积分传递方程构造了一维圆柱下的基准解,提出分段积分结合插值的方式处理被积函数的不光滑。结果表明,该方法可以高效获得超过七位有效数字的基准解,当前基准解构造效率明显优于其它方法。
  再次,依托基准解分别研究了影响圆柱坐标系下辐射传递方程配置点谱方法和离散坐标法求解精度的因素。结果表明,配置点谱方法的精度严重取决于方程形式和径向节点离散方式等因素,非守恒形式的控制方程结果精度远优于守恒形式,径向离散则应当选取直径而非半径作为计算区间。离散坐标法的精度则取决于极点条件和离散坐标方向的选取等因素,文献中常认为更加优越的轴对称极点条件事实上误差大于对应于镜面反射的极点条件,离散坐标方向选择通过立体角中心要优于其它方案。
  然后,以离散坐标法作为对照,考虑多种参数的影响,评价了配置点谱方法的性能。结果表明,配置点谱方法的稳定性和离散坐标法相同,两种方法的精度都随壁面发射率的减少和光学厚度的增加而降低。同等网格下,配置点谱方法的计算代价和精度都高于离散坐标法。同等精度下,配置点谱方法的计算代价和网格需求都低于离散坐标法。
  最后,对比研究了一维和二维情况下配置点谱方法和离散坐标法的性能变化。结果表明,一维时,两种方法的精度分别为五阶收敛和二阶收敛。而二维时,两种方法都可能遭受严重的射线效应,解析求解壁面相关辐射强度可以有效避免射线效应。但即便无射线效应的情形,二者的精度都衰退严重,并分别降为二阶收敛和一阶收敛。
  综上所述,配置点谱方法是求解圆柱坐标系下辐射传热时可供选择的一种方法,其优于传统的离散坐标法,但用于研究高维问题时已经不具备高阶收敛,还需进一步改进。
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