一种基于谱带模型的辐射传输方法技术

本发明专利技术公开了一种基于谱带模型的辐射传输方法，利用有限体积法对已经进行空间离散和角度离散的辐射传输方程求解，得到辐射传输方程的表达式，再对所述表达式进行基于LS近似的吸收系数修正，得到辐射传输方程的最终表达式。本发明专利技术能够有效地提高计算精度，对于非均匀路径的吸收、发射、散射性介质的辐射传输计算有重要意义。

A method of radiative transfer based on band model

The invention discloses a spectrum radiative transfer model based on the method, using finite volume method to solve the radiative transfer equation has been discretized and discrete angle, obtained the radiative transfer equation, then the expression of corrected absorption coefficient based on LS approximation, to obtain the final expression of radiative transfer equation. The method can effectively improve the calculation accuracy, and is of great significance for the calculation of the radiative transfer of the absorbing, transmitting and scattering media of non uniform paths.

【技术实现步骤摘要】
一种基于谱带模型的辐射传输方法
本专利技术涉及航天领域，尤其涉及一种基于谱带模型的辐射传输方法。
技术介绍
参与性介质辐射传输求解首先需要计算介质的辐射特性参数，通常采用逐线计算法、窄带模型计算或宽带模型计算等。逐线计算法计算量巨大，不适合工程应用，宽带模型计算精度较差，通常用于计算全谱段辐射换热，工程上计算要求较高的情况多选择窄带模型进行计算。而窄带模型在应用于非均匀路径的气体介质上时需要结合CG近似或LS近似等方法进行修正。求解辐射传输的方法有很多，仅有LOS法容易实现基于窄带模型(结合CG近似或LS近似)的辐射传输计算，但这种方法无法应用于散射性介质的辐射传输问题，在工程应用中存在一定的局限性。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种基于谱带模型的辐射传输方法，进一步提高吸收、发射、散射性介质辐射传输的计算精度。本专利技术提供的一种基于谱带模型的辐射传输方法，其改进之处在于，利用有限体积法对已经进行空间离散和角度离散的辐射传输方程求解，得到辐射传输方程的表达式，再对所述表达式进行基于LS近似的吸收系数修正，得到辐射传输方程的最终表达式。优选的，将所述辐射传输方程进行空间离散和角度离散的步骤包括：设置含有辐射、吸收、散射的辐射传输方程表示为：式中，Lη(s,Ωm)为s处m方向的辐射亮度；ka,η为消光系数；kη为吸收系数；Lbη(s)为黑体辐射亮度；σsη为散射系数；Ωm为m方向的立体角；Φη(Ωi,Ωm)为散射相函数；有限体积法的基本思想是对于每个特定的立体角内微元体内的辐射能量守恒。利用有限体积法在控制体积Vp和控制角Ω内进行积分，得到辐射能量守恒方程的有限体积法的表达式：根据散度定律，左端项转化为对微元体外表面的积分，得到：式中，其中Ac为微元体外表面；Lη,c为微元体外表面沿某方向的谱带辐射亮度；为辐射亮度方向矢量；为微元体外表面单位法向量；得到：对于上式左端项，设沿某个立体角方向每个微元体表面上的辐射亮度均匀相等，近似等位于微元体表面中心点j上的值；对于上式右端项，设沿某一立体角方向每个微元体内的辐射亮度均匀相等，近似等于微元体中心点P上的值，将上式积分项近似由数值积分代替，得到离散的辐射传输方程：其中，M为微元体外表面个数；N为角度离散个数；为方向权值；即：较优选的，利用有限体积法对已经进行空间离散和角度离散的辐射传输方程求解时，该方程需要用某种空间差分格式将微元体表面上的辐射亮度与微元体中心的辐射亮度关联起来，选择阶梯格式，即当Dj>0，Lη,j＝Lη,p，则利用有限体积法离散的辐射传输方程表示为：上述就是有限体积法离散的辐射传输方程的表达式，其中：aJ＝max[-AjDj,0]bη＝ka,ηSηVpΩm式中，为温度TP下谱带内黑体辐射能占总辐射能的份额；Vp为微元体体积；Aj为微元体各面的面积；Dj为微元体各面的方向权值；Lη为η波段的介质辐射亮度；较优选的，对所述表达式进行基于LS近似的吸收系数修正，是指对所述辐射传输方程的表达式中的衰减系数进行修正，表达式为：k′a,η＝c(s)p(s)ka,ηy(s)其中：y(s)＝y[πxe(s),ρ(s)]LS近似公式如下：μ＝πxe(s)，ρ＝ρ(s)其中：上述式中，c(s′)为s′处的组分百分比；p(s′)为分压力；kg(s′)为吸收系数；γ(s′)为谱线半宽。较优选的，得到辐射传输方程的最终表达式如下：其中：aη＝∑J＝e,w,s,n,t,bmax(AjDj,0)+k'a,ηVpΩmaJ＝max[-AjDj,0]本专利技术的技术方案中，能够有效地提高计算精度，对于非均匀路径的吸收、发射、散射性介质的辐射传输计算有重要意义。附图说明图1为本专利技术实施例的流程图；图2为本专利技术实施例的H型网格控制体示意图，其中e，s，w，n，t，b代表东、南、西、北、上、下各控制体表面，E，S，W，N，T，B代表同样方位的相邻控制体中心；图3为本专利技术实施例的O型网格控制体示意图，其中e，s，w，n，t，b代表东、南、西、北、上、下各控制体表面，E，S，W，N，T，B代表同样方位的相邻控制体中心；图4为本专利技术实施例的角度离散示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本专利技术进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本专利技术的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本专利技术的这些方面。本实施例提供的一种基于谱带模型的辐射传输方法，利用有限体积法对已经进行空间离散和角度离散的辐射传输方程求解，得到辐射传输方程的表达式，再对所述表达式进行基于LS近似的吸收系数修正，得到辐射传输方程的最终表达式。具体的：将辐射传输方程进行空间离散和角度离散。空间离散是将求解离散为互相不重叠的控制体即通常所说的网格划分，如图2和图3给出了H型网格和O型网格控制体示意图。e，s，w，n，t，b代表东、南、西、北、上、下各控制体表面，E，S，W，N，T，B代表同样方位的相邻控制体中心。另外，角度离散将球形空间划分为多个不重叠的立体角，有许多种不同的划分方式，例如图4所示均匀划分的立体角。离散具体步骤包括：设置含有辐射、吸收、散射的辐射传输方程表示为：式中，Lη(s,Ωm)为s处m方向的辐射亮度；ka,η为消光系数；kη为吸收系数；Lbη(s)为黑体辐射亮度；σsη为散射系数；Ωm为m方向的立体角；Φη(Ωi,Ωm)为散射相函数；有限体积法的基本思想是对于每个特定的立体角内微元体内的辐射能量守恒。利用有限体积法在控制体积Vp和控制角Ω内进行积分，得到辐射能量守恒方程的有限体积法的表达式：根据散度定律，左端项转化为对微元体外表面的积分，得到：式中，其中Ac为微元体外表面；Lη,c为微元体外表面沿某方向的谱带辐射亮度；为辐射亮度方向矢量；为微元体外表面单位法向量；得到：对于上式左端项，设沿某个立体角方向每个微元体表面上的辐射亮度均匀相等，近似等位于微元体表面中心点j上的值；对于上式右端项，设沿某一立体角方向每个微元体内的辐射亮度均匀相等，近似等于微元体中心点P上的值，将上式积分项近似由数值积分代替，得到离散的辐射传输方程：其中，M为微元体外表面个数；N为角度离散个数；为方向权值；即：本实施例利用有限体积法对已经进行空间离散和角度离散的辐射传输方程求解时，该方程需要用某种空间差分格式将微元体表面上的辐射亮度与微元体中心的辐射亮度关联起来，出于对计算稳定性的考虑，本实施例选择阶梯格式，即当Dj>0，Lη,j＝Lη,p，则利用有限体积法离散的辐射传输方程表示为：上述就是有限体积法离散的辐射传输方程的表达式，其中：aJ＝max[-AjDj,0]bη＝ka,ηSηVpΩm式中，为温度TP下谱带内黑体辐射能占总辐射能的份额；Vp为微元体体积；Aj为微元体各面的面积；Dj为微元体各面的方向权值；Lη为η波段的介质辐射亮度；本实施例再对表达式进行基于LS近似的吸收系数修正，是指对所述辐射传输方程的表达式中的衰减系数进行修正，表达式为：k′a,η＝c(s)p(s)ka,ηy(s)其中：y(s)＝y[πxe(s),ρ(s)]LS近似公式如下：μ＝πxe(s)，ρ＝ρ(s)其中：上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于谱带模型的辐射传输方法，其特征在于，利用有限体积法对已经进行空间离散和角度离散的辐射传输方程求解，得到辐射传输方程的表达式，再对所述表达式进行基于LS近似的吸收系数修正，得到辐射传输方程的最终表达式。

【技术特征摘要】
1.一种基于谱带模型的辐射传输方法，其特征在于，利用有限体积法对已经进行空间离散和角度离散的辐射传输方程求解，得到辐射传输方程的表达式，再对所述表达式进行基于LS近似的吸收系数修正，得到辐射传输方程的最终表达式。2.如权利要求1所述的辐射传输方法，其特征在于，将所述辐射传输方程进行空间离散和角度离散的步骤包括：设置含有辐射、吸收、散射的辐射传输方程表示为：式中，Lη(s,Ωm)为s处m方向的辐射亮度；ka,η为消光系数；kη为吸收系数；Lbη(s)为黑体辐射亮度；σsη为散射系数；Ωm为m方向的立体角；Φη(Ωi,Ωm)为散射相函数；利用有限体积法在控制体积Vp和控制角Ω内进行积分，得到辐射能量守恒方程的有限体积法的表达式：根据散度定律，左端项转化为对微元体外表面的积分，得到：式中，其中Ac为微元体外表面；Lη,c为微元体外表面沿某方向的谱带辐射亮度；为辐射亮度方向矢量；为微元体外表面单位法向量；得到：将上式积分项近似由数值积分代替，得到离散的辐射传输方程：其中，M为微元体外表面个数；N为角度离散个数；为方向权值；即：

【专利技术属性】
技术研发人员：朱希娟，吴杰，马静，李霞，段然，
申请(专利权)人：北京环境特性研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11