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专利名称：一种发动机排气系统热辐射效应分析方法及系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411074512.2

专利申请（专利权）人：西北工业大学
权利人地址：陕西省西安市长安区东祥路1号

专利发明（设计）人：孟宪龙,刘存良,朱亚松,项沛茹,陈向东

专利摘要：本发明公开了一种发动机排气系统热辐射效应分析方法及系统，属于发动机热防护技术领域，通过获得温度场信息，对几何模型进行非结构化三角形和四面体体网格划分，并提取三角形面网格和四面体体网格的网格信息；将发动机排气系统的壁面发射率、介质的吸收系数、散射系数和每个网格发射的光线数目导入提取的网格信息中，基于路径长度的蒙特卡洛算法，对各个网格发射光线进行光线追踪，通过统计网格发射的光线能量在各网格的分配比例，计算辐射传递因子；根据温度场和辐射传递因子，通过能量守恒方程求解壁面辐射热流密度，获得发动机排气系统的热辐射效应分析结果。该方法能够提高发动机排气系统的热辐射效应分析结果准确度。

主权利要求：
1.一种发动机排气系统热辐射效应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：根据发动机排气系统的系统架构，建立用于模拟发动机排气系统热辐射效应的几何模型；
通过对几何模型的流动换热进行数值模拟，获得温度场的计算结果；
对几何模型的辐射部分进行非结构化三角形和四面体体网格划分，并提取三角形面网格和四面体体网格的网格信息；将发动机排气系统的壁面发射率、介质的吸收系数、散射系数和每个网格发射的光线数目导入提取的网格信息中；
基于路径长度的蒙特卡洛方法，通过模拟光线发射位置和发射方向，对各个网格发射光线进行光线追踪；通过判断光线相交网格属于壁面还是介质网格，对光线分别进行反射和散射处理，通过网格发射光线能量的衰减，处理壁面和介质对光线能量的吸收，计算光线剩余能量；当光线剩余能量小于设定阈值，光线追踪停止；重新发射一束光线进行跟踪，在光线数达到规定数目后更换下一个网格发射光线，以此类推直至所有网格的所有光线发射并跟踪完毕；统计各光线能量分配比例，获得各网格之间的辐射传递因子；
根据温度场和辐射传递因子的计算结果，通过能量守恒方程求解壁面辐射热流密度，获得发动机排气系统的热辐射效应分析结果；
其中，所述光线剩余能量的计算，包括以下步骤：
光线发射后，到达壁面网格或介质网格；
当到达壁面网格时，光线会发生反射，反射的方向根据壁面光线发射方向重新确定新的方向，光线的一部分能量会被壁面吸收；其中，壁面吸收能量的大小与壁面发射率还有光线剩余能量有关，壁面网格的光线剩余能量的计算公式为：Ea1＝ε*E’
E＝E’?Ea1
式中，Ea1为壁面吸收能量，E’为光线经过前一网格后的剩余能量，E为光线经过当前网格后的剩余能量，ε为壁面发射率；
当光线到达介质网格时，光线一方面会被介质吸收一部分能量，另一方面会发生散射，介质吸收能量与介质的吸收系数以及光线在介质中传播的长度有关，介质网格的光线剩余能量的计算公式为：Ea2＝E’*exp(L*Ka)
式中，Ea2为光线被介质吸收能量，L为光线在介质中传播的长度，Ka为介质的吸收系数；
光线到达介质网格时的光线是否发生散射，与散射系数和光线已传播的距离有关，散射距离Ls为：Ls＝?ln(1.0?r)/σs
式中，σs为散射系数，r为[0,1]之间的随机数；
当光线在介质中传播的长度L小于散射距离Ls时，光线沿之前方向继续传播，用散射距离减去L作为新的散射强度；
当光线在介质中传播的长度L大于散射距离Ls时，光线在介质中发生散射，散射方向由介质发射方向重新确定，生成随机数重新计算散射距离，以散射点为新的发射点继续跟踪光线，直至光线剩余能量小于一定值；
所述获得各网格之间的辐射传递因子，包括以下步骤：
在参数设置中对壁面发射率、介质的吸收系数和散射系数和从每个网格发射的光线数目进行设定；
将通过UDF导出的三角形和四面体的包含网格序号、各顶点坐标、面积、体积、法向量、相邻体网格编号的网格信息文本文件导入程序完成网格信息导入；
利用这些网格信息从各个三角形面网格和四面体体网格发射光线并进行光线追踪，光线追踪算法包括确定发射点、方向和能量，设光线发射的初始能率为E0，表示光线在任何时刻的能量与其发射能量的比值，在初始发射时设为1；
识别光线将被拦截的表面和将要经过的介质，表面的反射或吸收，以及中间参与介质的散射或吸收，使用伪随机数和每个特定事件的概率分布来模拟每个光线从其发射到被吸收的行为，如果光线被反射或散射，则必须确定新的方向，记录光线能量被各个网格吸收的大小以及光线剩余能量大。
当光线中的能量几乎全部转移到介质或表面时，光线追踪停止，重新发射一束光线进行跟踪，在光线数达到规定光线数目后更换下一个网格发射光线，以此类推直至所有网格的所有光线发射完毕后，统计获得各面网格和体网格之间的辐射传递因子；
所述辐射传递因子的计算，包括以下步骤：
当从一个网格发射的所有光线追踪结束后，得到该网格对其他所有网格的辐射传递因子RDij；定义辐射传递因子RDij为由网格i辐射出去的被网格j吸收的能量占网格i向外辐射出去的总能量的份额，辐射传递因子RDij的计算公式为：RDij＝Eaij/E0*N
其中，RDij为网格i对网格j的辐射传递因子，Eaij为网格i发出的被网格j吸收的辐射能量，E0为光线初始能量，N为网格i光线数目；
当所有的网格均被作为发射单元计算后，得到所有网格之间的辐射传递因子。
2.根据权利要求1所述的发动机排气系统热辐射效应分析方法，其特征在于，所述建立用于模拟发动机排气系统真实工况的几何模型为通过建模软件，建立包括加力筒体、中心锥、支板、整流罩和收扩喷管部件的发动机排气系统的几何模型。
3.根据权利要求2所述的发动机排气系统热辐射效应分析方法，其特征在于，所述网格信息的提。ㄒ韵虏街：采用三角形面网格和四面体体网格对几何模型进行网格划分；
将网格划分结果导入Fluent软件，通过编写UDF并输入到Fluent软件中挂载运行；
对各个面区域的三角形面网格进行编号，并输出三角形的网格信息文本文件，包括三角形的编号、三个顶点坐标、法向量、相邻两个四面体体网格编号到文本文件；
对流体区域的四面体体网格进行编号，并输出四面体的编号、体积、四个顶点坐标到文本文件。
4.根据权利要求3所述的发动机排气系统热辐射效应分析方法，其特征在于，所述发射位置的确定，包括以下步骤：将每个网格内部看作各向同性，即光线在网格内部的发射位置为均匀分布的，通过随机数确定发射点位置；
利用三角形网格的三个点坐标，在三角形网格内部生成随机点P的计算过程为：P＝P1+r1*P1P2+r2*P1P3，(r1+r2≦1)P＝P1+(1?r1)*P1P2+(1?r1)*P1P3，(r1+r2>1)式中，P1、P2和P3分别是三角形网格的三个顶点，r1和r2分别是[0,1]之间的随机数；
利用四面体网格的四个点坐标，在四面体网格内部生成随机点Q的计算过程为：Q＝Q1+r1*Q1Q2+r2*Q1Q3+r3*Q1Q4(r1+r2+r3≦1)式中，Q1、Q2、Q3和Q4分别是四面体网格的四个顶点，r1、r2和r3分别是[0,1]之间的随机数。
5.根据权利要求4所述的发动机排气系统热辐射效应分析方法，其特征在于，所述发射方向的确定，包括以下步骤：在局部坐标系下确定发射方向后，根据坐标转换矩阵，将局部坐标系下的发射方向的方向余弦转化为系统坐标系下的方向余弦，与法向量进行点乘，通过判断点乘结果是否大于零，确定其是否为正确发射方向；
当为正确发射方向时，是从平面向外发射；
对于壁面表面网格，假设所有壁面为漫射表面且认为沿圆周方向均匀发射，根据特定事件的概率密度分布函数，确定光线的圆周角θ和天顶角η，以模拟光线的发射方向，其中：θ＝2πrθ
?1
η＝cos (1?2rη)
式中，θ和η分别为圆周角和天顶角，rθ和rη分别为两个[0,1]之间均匀分布的随机数；
对于空间介质体网格，假设介质网格单元内为各向同性发射，光线在圆周方向上是均匀发射的，介质网格的圆周角计算公式为：θ＝2πrθ
根据概率密度分布函数和随机数，确定介质网格的天顶角计算公式为：?1 1/2
η＝cos (1?2rη)
式中，θ和η分别为圆周角和天顶角，rθ和rη分别为两个[0,1]之间均匀分布的随机数。
6.根据权利要求5所述的发动机排气系统热辐射效应分析方法，其特征在于，所述辐射热流密度的计算过程，包括以下步骤：将辐射传递因子和温度场信息，代入壁面网格的辐射能量守恒方程中，对壁面辐射热流密度进行求解；
其中，壁面网格的辐射能量守恒方程为：
式中，等号左边第一项表示第i个壁面网格上的净辐射热流，等号左边第二项为壁面网格i向外发射的辐射热流，即离开壁网格i的能量；等号右边两项分别代表所有介质网格和壁面网格进入壁面网格i的辐射能量；其中，q、F、T、σ、ε、ka、V和RDij分别为网格净辐射热流密度、面积、温度、辐射常数、发射率、吸收系数、体积和辐射传递因子，N和M分别代表介质网格数目和壁面网格网格数目。
7.一种发动机排气系统热辐射效应分析系统，其特征在于，包括：模型构建模块，用于根据发动机排气系统的系统架构，建立模拟发动机排气系统热辐射效应的几何模型；
温度场信息获取模块，用于通过对几何模型的流动换热进行数值模拟，获得温度场的计算结果；
网格信息提取模块，用于对几何模型的辐射部分进行非结构化三角形和四面体体网格划分，并提取三角形面网格和四面体体网格的网格信息；将发动机排气系统的壁面发射率、介质的吸收系数、散射系数和每个网格发射的光线数目导入提取的网格信息中；
辐射传递因子计算模块，用于基于路径长度的蒙特卡洛方法，通过模拟光线发射位置和发射方向，对各个网格发射光线进行光线追踪；通过判断光线相交网格属于壁面还是介质网格，对光线分别进行反射和散射处理，通过网格发射光线能量的衰减，处理壁面和介质对光线能量的吸收，计算光线剩余能量；当光线剩余能量小于设定阈值，光线追踪停止；重新发射一束光线进行跟踪，在光线数达到规定数目后更换下一个网格发射光线，以此类推直至所有网格的所有光线发射并跟踪完毕；统计各光线能量分配比例，获得各网格之间的辐射传递因子；
辐射热流密度计算模块，用于根据温度场和辐射传递因子的计算结果，通过能量守恒方程求解壁面辐射热流密度，获得发动机排气系统的热辐射效应分析结果；
其中，所述光线剩余能量的计算，包括以下步骤：
光线发射后，到达壁面网格或介质网格；
当到达壁面网格时，光线会发生反射，反射的方向根据壁面光线发射方向重新确定新的方向，光线的一部分能量会被壁面吸收；其中，壁面吸收能量的大小与壁面发射率还有光线剩余能量有关，壁面网格的光线剩余能量的计算公式为：Ea1＝ε*E’
E＝E’?Ea1
式中，Ea1为壁面吸收能量，E’为光线经过前一网格后的剩余能量，E为光线经过当前网格后的剩余能量，ε为壁面发射率；
当光线到达介质网格时，光线一方面会被介质吸收一部分能量，另一方面会发生散射，介质吸收能量与介质的吸收系数以及光线在介质中传播的长度有关，介质网格的光线剩余能量的计算公式为：Ea2＝E’*exp(L*Ka)
式中，Ea2为光线被介质吸收能量，L为光线在介质中传播的长度，Ka为介质的吸收系数；
光线到达介质网格时的光线是否发生散射，与散射系数和光线已传播的距离有关，散射距离Ls为：Ls＝?ln(1.0?r)/σs
式中，σs为散射系数，r为[0,1]之间的随机数；
当光线在介质中传播的长度L小于散射距离Ls时，光线沿之前方向继续传播，用散射距离减去L作为新的散射强度；
当光线在介质中传播的长度L大于散射距离Ls时，光线在介质中发生散射，散射方向由介质发射方向重新确定，生成随机数重新计算散射距离，以散射点为新的发射点继续跟踪光线，直至光线剩余能量小于一定值；
所述获得各网格之间的辐射传递因子，包括以下步骤：
在参数设置中对壁面发射率、介质的吸收系数和散射系数和从每个网格发射的光线数目进行设定；
将通过UDF导出的三角形和四面体的包含网格序号、各顶点坐标、面积、体积、法向量、相邻体网格编号的网格信息文本文件导入程序完成网格信息导入；
利用这些网格信息从各个三角形面网格和四面体体网格发射光线并进行光线追踪，光线追踪算法包括确定发射点、方向和能量，设光线发射的初始能率为E0，表示光线在任何时刻的能量与其发射能量的比值，在初始发射时设为1；
识别光线将被拦截的表面和将要经过的介质，表面的反射或吸收，以及中间参与介质的散射或吸收，使用伪随机数和每个特定事件的概率分布来模拟每个光线从其发射到被吸收的行为，如果光线被反射或散射，则必须确定新的方向，记录光线能量被各个网格吸收的大小以及光线剩余能量大。
当光线中的能量几乎全部转移到介质或表面时，光线追踪停止，重新发射一束光线进行跟踪，在光线数达到规定光线数目后更换下一个网格发射光线，以此类推直至所有网格的所有光线发射完毕后，统计获得各面网格和体网格之间的辐射传递因子；
所述辐射传递因子的计算，包括以下步骤：
当从一个网格发射的所有光线追踪结束后，得到该网格对其他所有网格的辐射传递因子RDij；定义辐射传递因子RDij为由网格i辐射出去的被网格j吸收的能量占网格i向外辐射出去的总能量的份额，辐射传递因子RDij的计算公式为：RDij＝Eaij/E0*N
其中，RDij为网格i对网格j的辐射传递因子，Eaij为网格i发出的被网格j吸收的辐射能量，E0为光线初始能量，N为网格i光线数目；
当所有的网格均被作为发射单元计算后，得到所有网格之间的辐射传递因子。 说明书 : 一种发动机排气系统热辐射效应分析方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及发动机热防护技术领域，更具体的涉及一种发动机排气系统热辐射效应分析方法及系统。背景技术[0002] 发动机排气系统的燃气具有很高的温度，热端部件容易受到温度的影响，温度过高会造成热端部件发生损坏。排气系统温度越高，辐射的影响也就越大，辐射换热对发动机排气系统热端部件的冷却结构设计及热防护具有重要作用。[0003] 现代发动机排气系统冷却结构日趋复杂，在确定最终设计方案之前常常需要进行大量的优化设计工作。一方面，传统的试验设计方法不仅研发周期长、试验成本高，而且试验条件受到试验设备限制，很难对真实工况下的排气系统进行精确试验；另一方面，近年来快速发展的数值模拟方法被广泛用于排气系统研究设计工作中，但由于排气系统及其冷却结构非常复杂，同时庞大的网格数量使得数值模拟的计算成本十分高昂，难以满足工程优化设计工作中对性能评估速度的要求。[0004] 涡轮进口温度决定了发动机的性能水平，其热效率和推重比都随进口温度的提高而增加，目前先进航空发动机的涡轮进口温度可达2000K。早期航空发动机燃气温度较低，辐射换热量相对于对流和导热是一个小量，可以忽略不计或以留有一定余量的方式进行考虑；随着涡轮进口温度的升高，由于辐射强度与温度呈四次方的关系，辐射换热对热端部件的影响也因涡轮进口温度的升高而不断加大，已经成为热端部件冷却和热防护设计中不容忽视的重要影响因素。相关研究表明，燃气温度在1600K时，考虑辐射与否叶片的温度差值高达30%，如果忽略辐射换热的影响，容易导致热端部件热防护设计的“欠保护”或“过保护”问题。[0005] 目前，发动机排气系统的辐射计算包括壁面辐射热流密度，主要在流场和温度场计算的基础上进行，一般采用建模软件建：笤擞蒙桃等砑划分网格后，先不考虑辐射对流动、对流和导热进行计算，获得温度场、压力场和组分浓度场等参数信息，然后再将这些温度、压力、组分浓度等参数信息导入到根据区域法、离散坐标法、离散传递法和热流法等计算方法自行编制开发的辐射计算程序或基于商业软件的二次开发工具编制的程序中对辐射进行计算。一方面，区域法存在计算周期长，且无法处理具有散射效应的辐射传输问题；离散坐标法存在计算误差大，且存在射线效应和假散射问题；离散传递法对特征射线中入射散射项尚未得到妥善处理；热流法不适用于含强各向异性散射的辐射问题，由于这些计算方法各自存在技术缺陷，在进行计算时无法很好地将散射和辐射效应考虑在内，导致发动机排气系统的热辐射计算误差大。另一方面，传统的实验测量方法难以模拟发动机真实工况下的热辐射环境，且低温工况下的辐射测量结果难以推广应用到高温工况，实验测量难度大、周期长。[0006] 综上，现有技术中在进行发动机排气系统的热辐射计算时，由于传统的数值计算方法对散射和辐射效应的处理存在缺陷，实验测量方法难度大，无法模拟发动机真实工况下的热辐射环境，影响发动机排气系统的壁面辐射热流密度的计算，导致发动机排气系统热辐射计算误差大。发明内容[0007] 针对上述领域中存在的问题，本发明提出了一种发动机排气系统热辐射效应分析方法及系统，能够解决由于传统的数值计算方法对散射和辐射效应的处理存在缺陷，实验测量方法难度大，无法模拟发动机真实工况下的热辐射环境，影响发动机排气系统的壁面辐射热流密度的计算，导致发动机排气系统热辐射计算误差大的技术问题。[0008] 为解决上述技术问题，本发明公开了一种发动机排气系统热辐射效应分析方法，包括以下步骤：[0009] 根据发动机排气系统的系统架构，建立用于模拟发动机排气系统热辐射效应的几何模型；[0010] 通过对几何模型的流动换热进行数值模拟，获得温度场的计算结果；[0011] 对几何模型的辐射部分进行非结构化三角形和四面体体网格划分，并提取三角形面网格和四面体体网格的网格信息；将发动机排气系统的壁面发射率、介质的吸收系数、散射系数和每个网格发射的光线数目导入提取的网格信息中；[0012] 基于路径长度的蒙特卡洛方法，通过模拟光线发射位置和发射方向，对各个网格发射光线进行光线追踪；通过判断光线相交网格属于壁面还是介质网格，对光线分别进行反射和散射处理，通过网格发射光线能量的衰减，处理壁面和介质对光线能量的吸收，计算光线剩余能量；当光线剩余能量小于设定阈值，光线追踪停止；重新发射一束光线进行跟踪，在光线数达到规定数目后更换下一个网格发射光线，以此类推直至所有网格的所有光线发射并跟踪完毕；统计各光线能量分配比例，获得各网格之间的辐射传递因子；[0013] 根据温度场和辐射传递因子的计算结果，通过能量守恒方程求解壁面辐射热流密度，获得发动机排气系统的热辐射效应分析结果。[0014] 优选地，所述建立用于模拟发动机排气系统真实工况的几何模型为通过建模软件，建立包括加力筒体、中心锥、支板、整流罩和收扩喷管部件的发动机排气系统的几何模型。[0015] 优选地，所述网格信息的提。ㄒ韵虏街：[0016] 采用三角形面网格和四面体体网格对几何模型进行网格划分；[0017] 将网格划分结果导入Fluent软件，通过编写UDF并输入到Fluent软件中挂载运行；[0018] 对各个面区域的三角形面网格进行编号，并输出三角形的网格信息文本文件，包括三角形的编号、三个顶点坐标、法向量、相邻两个四面体体网格编号到文本文件；[0019] 对流体区域的四面体体网格进行编号，并输出四面体的编号、体积、四个顶点坐标到文本文件。[0020] 优选地，所述发射位置的确定，包括以下步骤：[0021] 将每个网格内部看作各向同性，即光线在网格内部的发射位置为均匀分布的，通过随机数确定发射点位置；[0022] 利用三角形网格的三个点坐标，在三角形网格内部生成随机点P的计算过程为：[0023] P=P1+r1*P1P2+r2*P1P3，(r1+r2≦1)[0024] P=P1+(1?r1)*P1P2+(1?r1)*P1P3，(r1+r2>1)[0025] 式中，P1、P2和P3分别是三角形网格的三个顶点，r1和r2分别是[0,1]之间的随机数；[0026] 利用四面体网格的四个点坐标，在四面体网格内部生成随机点Q的计算过程为：[0027] Q=Q1+r1*Q1Q2+r2*Q1Q3+r3*Q1Q4(r1+r2+r3≦1)[0028] 式中，Q1、Q2、Q3和Q4分别是四面体网格的四个顶点，r1、r2和r3分别是[0,1]之间的随机数。[0029] 优选地，所述发射方向的确定，包括以下步骤：[0030] 在局部坐标系下确定发射方向后，根据坐标转换矩阵，将局部坐标系下的发射方向的方向余弦转化为系统坐标系下的方向余弦，与法向量进行点乘，通过判断点乘结果是否大于零，确定其是否为正确发射方向；[0031] 当为正确发射方向时，是从平面向外发射；[0032] 对于壁面表面网格，假设所有壁面为漫射表面且认为沿圆周方向均匀发射，根据特定事件的概率密度分布函数，确定光线的圆周角θ和天顶角η，以模拟光线的发射方向，其中：[0033] θ=2πrθ[0034] η=cos?1(1?2rη)[0035] 式中，θ和η分别为圆周角和天顶角，rθ和rη分别为两个[0,1]之间均匀分布的随机数；[0036] 对于空间介质体网格，假设介质网格单元内为各向同性发射，光线在圆周方向上是均匀发射的，介质网格的圆周角计算公式为：[0037] θ=2πrθ[0038] 根据概率密度分布函数和随机数，确定介质网格的天顶角计算公式为：[0039] η=cos?1(1?2rη)1/2[0040] 式中，θ和η分别为圆周角和天顶角，rθ和rη分别为两个[0,1]之间均匀分布的随机数。[0041] 优选地，所述光线剩余能量的计算，包括以下步骤：[0042] 光线发射后，到达壁面网格或介质网格；[0043] 当到达壁面网格时，光线会发生反射，反射的方向根据壁面光线发射方向重新确定新的方向，光线的一部分能量会被壁面吸收；其中，壁面吸收能量的大小与壁面发射率还有光线剩余能量有关，壁面网格的光线剩余能量的计算公式为：[0044] Ea1=ε*E’[0045] E=E’?Ea1[0046] 式中，Ea1为壁面吸收能量，E’为光线经过前一网格后的剩余能量，E为光线经过当前网格后的剩余能量，ε为壁面发射率；[0047] 当光线到达介质网格时，光线一方面会被介质吸收一部分能量，另一方面会发生散射，介质吸收能量与介质的吸收系数以及光线在介质中传播的长度有关，介质网格的光线剩余能量的计算公式为：[0048] Ea2=E’*exp(L*Ka)[0049] 式中，Ea2为光线被介质吸收能量，L为光线在介质中传播的长度，Ka为介质的吸收系数；[0050] 光线到达介质网格时的光线是否发生散射，与散射系数和光线已传播的距离有关，散射距离Ls为：[0051] Ls=?ln(1.0?r)/σs[0052] 式中，σs为散射系数，r为[0,1]之间的随机数；[0053] 当光线在介质中传播的长度L小于散射距离Ls时，光线沿之前方向继续传播，用散射距离减去L作为新的散射强度；[0054] 当光线在介质中传播的长度L大于散射距离Ls时，光线在介质中发生散射，散射方向由介质发射方向重新确定，生成随机数重新计算散射距离，以散射点为新的发射点继续跟踪光线，直至光线剩余能量小于一定值。[0055] 优选地，所述获得各网格之间的辐射传递因子，包括以下步骤：[0056] 在参数设置中对壁面发射率、介质的吸收系数和散射系数和从每个网格发射的光线数目进行设定；[0057] 将通过UDF导出的三角形和四面体的包含网格序号、各顶点坐标、面积、体积、法向量、相邻体网格编号的网格信息文本文件导入程序完成网格信息导入；[0058] 利用这些网格信息从各个三角形面网格和四面体体网格发射光线并进行光线追踪，光线追踪算法包括确定发射点、方向和能量，设光线发射的初始能率为E0，表示光线在任何时刻的能量与其发射能量的比值，在初始发射时设为1；[0059] 识别光线将被拦截的表面和将要经过的介质，表面的反射或吸收，以及中间参与介质的散射或吸收，使用伪随机数和每个特定事件的概率分布来模拟每个光线从其发射到被吸收的行为，如果光线被反射或散射，则必须确定新的方向，记录光线能量被各个网格吸收的大小以及光线剩余能量大。籟0060] 当光线中的能量几乎全部转移到介质或表面时，光线追踪停止，重新发射一束光线进行跟踪，在光线数达到规定光线数目后更换下一个网格发射光线，以此类推直至所有网格的所有光线发射完毕后就可统计获得各面网格和体网格之间的辐射传递因子。[0061] 优选地，所述辐射传递因子的计算，包括以下步骤：[0062] 当从一个网格发射的所有光线追踪结束后，得到该网格对其他所有网格的辐射传递因子RDij；定义辐射传递因子RDij为由网格i辐射出去的被网格j吸收的能量占网格i向外辐射出去的总能量的份额，辐射传递因子RDij的计算公式为：[0063] RDij=Eaij/E0*N[0064] 其中，RDij为网格i对网格j的辐射传递因子，Eaij为网格i发出的被网格j吸收的辐射能量，E0为光线初始能量，N为网格i光线数目；[0065] 当所有的网格均被作为发射单元计算后，得到所有网格之间的辐射传递因子。[0066] 优选地，所述辐射热流密度的计算过程，包括以下步骤：[0067] 将辐射传递因子和温度场等信息，代入壁面网格的辐射能量守恒方程中，对壁面辐射热流密度进行求解，[0068] 其中，壁面网格的辐射能量守恒方程为：[0069][0070] 式中，等号左边第一项表示第i个壁面网格上的净辐射热流，等号左边第二项为壁面网格i向外发射的辐射热流，即离开壁面网格i的能量；等号右边两项分别代表所有介质网格和壁面网格进入壁面网格i的辐射能量；其中，q、F、T、σ、ε、 、V和RDij分别为网格净辐射热流密度、面积、温度、辐射常数、发射率、吸收系数、体积和辐射传递因子，N和M分别代表介质网格数目和壁面网格网格数目。[0071] 优选地，还包括一种发动机排气系统热辐射效应分析系统，包括：[0072] 模型构建模块，用于根据发动机排气系统的系统架构，建立模拟发动机排气系统热辐射效应的几何模型；[0073] 温度场信息获取模块，用于通过对几何模型的流动换热进行数值模拟，获得温度场的计算结果；[0074] 网格信息提取模块，用于对几何模型的辐射部分进行非结构化三角形和四面体体网格划分，并提取三角形面网格和四面体体网格的网格信息；将发动机排气系统的壁面发射率、介质的吸收系数、散射系数和每个网格发射的光线数目导入提取的网格信息中；[0075] 辐射传递因子计算模块，用于基于路径长度的蒙特卡洛方法，通过模拟光线发射位置和发射方向，对各个网格发射光线进行光线追踪；通过判断光线相交网格属于壁面还是介质网格，对光线分别进行反射和散射处理，通过网格发射光线能量的衰减，处理壁面和介质对光线能量的吸收，计算光线剩余能量；当光线剩余能量小于设定阈值，光线追踪停止；重新发射一束光线进行跟踪，在光线数达到规定数目后更换下一个网格发射光线，以此类推直至所有网格的所有光线发射并跟踪完毕；统计各光线能量分配比例，获得各网格之间的辐射传递因子；[0076] 辐射热流密度计算模块，用于根据温度场和辐射传递因子的计算结果，通过能量守恒方程求解壁面辐射热流密度，获得发动机排气系统的热辐射效应分析结果。[0077] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：[0078] 本发明通过对发动机排气系统的几何结构模型进行非结构化三角形和四面体网格划分处理，并对三角形面网格和四面体体网格信息进行提。姹芰耸侄滞袷北呓缤窕址彼黾澳岩曰值奈侍，可以处理各种复杂几何结构模型。基于路径长度的蒙特卡洛算法，不需要对空间立体角进行离散处理，不需要求解辐射传递方程，不存在假散射和射线效应，便可以对三角形面网格和组成四面体体网格的三角面进行求交，确定光线的走向，对光线进行追踪，以此来考虑介质辐射和介质的散射效应。在物体几何形状和辐射物性变化不大的情况下，计算得到的辐射传递因子可以重复代入使用，此时只需代入壁面和介质的温度就可进行快速计算壁面辐射热流密度，可以大幅提高计算速度。该方法可以通过调整网格数目和光线数目来调整壁面辐射热流密度的计算精度和计算速度，从而提高发动机排气系统的热辐射效应分析结果更加准确。附图说明[0079] 图1为本发明的整体方法流程示意图；[0080] 图2为发动机排气系统几何结构示意图；[0081] 图3为本发明的蒙特卡洛辐射计算程序流程图；[0082] 图4为本发明的三角形网格发射点示意图；[0083] 图5为本发明的四面体网格发射点示意图；[0084] 图6为本发明的表面网格发射方向示意图；[0085] 图7为本发明的空间介质体单元发射方向示意图；[0086] 图中：1、外涵进口，2、内涵进口；3、合流环；4、中心锥；5、火焰稳定性；6、引射入口；7、外罩；8扩张段；9、收敛段；10、加力筒体。具体实施方式[0087] 下面将结合本发明实施例中的附图1?图7，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。[0088] 实施例[0089] 如图1所示，本发明实施例提供一种发动机排气系统热辐射效应分析方法，包括以下步骤：[0090] S1：根据发动机排气系统的系统架构，建立用于模拟发动机排气系统热辐射效应的几何模型；[0091] S2：通过对几何模型的流动换热进行数值模拟，获得温度场的计算结果；[0092] S3：对几何模型的辐射部分进行非结构化三角形和四面体体网格划分，并提取三角形面网格和四面体体网格的网格信息；将发动机排气系统的壁面发射率、介质的吸收系数、散射系数和每个网格发射的光线数目导入提取的网格信息中；[0093] S4：基于路径长度的蒙特卡洛方法，模拟光线发射位置和发射方向，对各个网格发射光线进行光线追踪，根据网格发射光线能量的衰减，处理壁面和介质对光线能量的吸收，通过确定网格发射的光线剩余能量，判断光线追踪是否终止；[0094] S5：根据温度场和辐射传递因子的计算结果，通过能量守恒方程求解壁面辐射热流密度，获得发动机排气系统的热辐射效应分析结果。[0095] 具体的，在步骤S1中，发动机排气系统的系统架构的组成包括外涵进口1、内涵进口2、合流环3、中心锥4、火焰稳定性5、引射入口6、外罩7、扩张段8、收敛段9、加力筒体10、整流罩、收扩喷管等部件，其中，D为排气管直径，L为排气期系统长度，根据该系统架构，通过建模软件建立发动机排气系统的几何模型如图2所示。由于排气系统实际结构较为复杂，在建模时可对部件几何结构进行相应简化处理。[0096] 在步骤S2中，网格划分与数值计算部分采用商业软件Fluent进行，由于流动传热温度场的计算涉及到气膜孔及边界层，为了确保计算结果的精度需要对网格进行局部加密处理，而辐射部分的计算不需要对边界层网格进行加密，网格加密后反而会大大降低辐射计算速度，这就导致流动传热温度场计算与辐射计算所需网格不匹配，需要采用两套不同的网格。[0097] 在步骤S3中，对流动传热温度场计算的网格划分的数目以及形状无特殊要求，只需在满足所需计算精度时尽量减小网格数目以提高计算效率。蒙特卡洛方法中的光线追踪部分利用网格对光线进行求交判断，计算光线与哪些网格相交，求出各交点坐标并判断交点是否落在网格内部，然后将发射点与各交点的距离进行比较取出距离最近的交点，此交点则为光线实际交点，考虑到三角形和四面体网格适用性强、几何特征容易获取以及三角形便于进行求交判断的优势，辐射计算部分采用三角形面网格和四面体体网格对几何模型进行网格划分，对应如图4所示为三角形面网格，如图5所示为四面体体网格。[0098] 在步骤S4中，将网格发射的光线剩余能量与设定的阈值0.1%进行比较，如图3所示，当光线剩余能量不小于0.1%时，进行网格类型判断，当网格类型为壁面网格时，光线部分能量被壁面吸收并发生反射，根据随机数重新确定发射方向；当网格类型为介质网格时，判断光线在介质中传播的长度与散射距离的大。惫庀咴诮橹手写サ某ざ刃∮谏⑸渚嗬胧，光线部分能量被介质吸收并沿当前方向继续传播；当光线在介质中传播的长度大于散射距离时，光线部分能量被介质吸收并发生散射，散射方向根据介质发射方向重新确定，通过生成随机数重新计算散射距离，以散射点为新的发射点继续进行光线追踪，直至光线剩余能量小于0.1%，重新发射一束光线进行跟踪，光线发射次数Nubn加1，当光线数达到规定数目Nubn=10000时，更换下一个网格发射光线，以此类推直至所有网格的所有光线发射并跟踪完毕；通过统计各光线能量分配比例，计算各网格之间的辐射传递因子。[0099] 流动传热部分网格划分完毕后导入Fluent，先不考虑辐射的影响，对温度场进行计算，获得温度场的计算结果，即各网格节点处的温度大小。[0100] 编写UDF并导入到Fluent中挂载运行，对各个面区域的三角形面网格进行编号，并输出三角形的编号、三个顶点坐标、法向量、相邻两个四面体体网格编号到文本文件；对流体区域的四面体网格进行编号，并输出四面体的编号、体积、四个顶点坐标到文本文件。[0101] 蒙特卡洛法计算热辐射的基本原理是：将表面或介质体发射的辐射能看作是由数量众多的能束组成，每个能束都带有相同的能量，将热辐射能离散成为独立的能量粒子或者光线，也可称为能束，将辐射传输过程分解为发射、吸收、反射和散射等系列的独立的物理子过程，并将这些子过程转化为随机性数学问题，运用蒙特卡洛法建立各个物理子过程的概率模型。[0102] 针对每一能束，首先，在辐射物体表面或者介质体内根据生成的随机数产生均匀的随机点作为能束的发射点，然后再生成一个随机方向向量，以随机点作为发射点，沿着随机方向发射一条射线，跟踪每一个能束的传播路径，并根据随机数判断能束是被吸收、反射还是散射，并以此确定能束新的发射点和发射方向，继续跟踪能束进行判断，直到此能束最后被某个表面或介质体吸收或者能量衰减到一个很小值为止。跟踪确定所有能束的落点位置，当产生的能束数量足够多时，就可以得到具有统计意义的结果。[0103] 通过统计每个表面和介质体吸收能束的数量，计算出该表面或介质体辐射能量分配的统计结果，即该表面或介质体对其他表面或介质体的辐射传递因子。[0104] 如图3所示，为本发明的蒙特卡洛辐射计算程序流程图，包括以下步骤：[0105] 在参数设置中对壁面发射率、介质的吸收系数和散射系数和从每个网格发射的光线数目进行设定；[0106] 将通过UDF导出的三角形和四面体的包含网格序号、各顶点坐标、面积、体积、法向量、相邻体网格编号的网格信息文本文件导入程序，完成网格信息导入；[0107] 利用这些网格信息，从各个三角形面网格和四面体体网格发射光线并进行光线追踪，光线追踪算法包括确定发射点、方向和能量，设光线发射的初始能率为E0，表示光线在任何时刻的能量与其发射能量的比值，在初始发射时设为1；[0108] 识别光线将被拦截的表面和将要经过的介质，表面的反射或吸收，以及中间参与介质的散射或吸收，使用伪随机数和每个特定事件的概率分布来模拟每个光线从其发射到被吸收的行为，如果光线被反射或散射，则必须确定新的方向，记录光线能量被各个网格吸收的大小以及光线剩余能量大。籟0109] 当光线中的能量几乎全部转移到介质或表面时，光线追踪停止；重新发射一束光线进行跟踪，在光线数达到规定光线数目后更换下一个网格发射光线，以此类推，直至所有网格的所有光线发射完毕后就可统计获得各面网格和体网格之间的辐射传递因子。[0110] 发射点位置确定过程如图4所示，将每个网格内部看作各向同性，即光线在网格内部的发射位置为均匀分布的，通过随机数确定发射点位置；利用三角形网格的三个点坐标，在三角形网格内部生成随机点P的计算过程为：[0111] P=P1+r1*P1P2+r2*P1P3，(r1+r2≦1)[0112] P=P1+(1?r1)*P1P2+(1?r1)*P1P3，(r1+r2>1)[0113] 当r1+r2≦1时，r1'=r1，r2'=r2；当r1+r2>1时，r1'=1?r1，r2'=1?r2。[0114] 其中，P1、P2和P3分别是三角形网格的三个顶点，r1，r2，r1'和r2'分别是[0,1]之间的随机数，p0为随机数r1和r2决定的生成点位置，p0'为随机数r1'和r2'决定的生成点位置，p'为顶点P2和P3决定的生成点位置。[0115] 如图5所示，为四面体网格发射点，利用四面体网格的四个点坐标，在四面体网格内部生成随机点Q的计算过程为：[0116] Q=Q1+r1*Q1Q2+r2*Q1Q3+r3*Q1Q4(r1+r2+r3≦1)[0117] 式中，Q1、Q2、Q3和Q4分别是四面体网格的四个顶点，r1、r2和r3分别是[0,1]之间的随机数。[0118] 在局部坐标系下确定发射方向后，根据坐标转换矩阵，将局部坐标系下的发射方向的方向余弦转化为系统坐标系下的方向余弦，与法向量进行点乘，通过判断天顶角η是否大于零，确定其是否为正确发射方向。[0119] 当为正确发射方向时，是从平面向外发射。[0120] 如图6所示，为壁面表面网格，假设所有壁面为漫射表面且认为沿圆周方向均匀发射，根据特定事件的概率密度分布函数，确定光线的圆周角θ和天顶角η，以模拟光线的发射方向，其中：[0121] θ=2πrθ[0122] η=cos?1(1?2rη)[0123] 式中，θ和η分别为圆周角和天顶角，dθ和dη分别为圆周角θ和天顶角η的增量，dA为壁面表面网格的面积元素，rθ和rη分别为两个[0,1]之间均匀分布的随机数。[0124] 如图7所示，为空间介质体网格，假设介质网格单元内为各向同性发射，光线在圆周方向上是均匀发射的，介质网格的圆周角计算公式为：[0125] θ=2πrθ[0126] 根据概率密度分布函数和随机数，确定介质网格的天顶角计算公式为：[0127] η=cos?1(1?2rη)1/2[0128] 式中，θ和η分别为圆周角和天顶角，rθ和rη分别为两个[0,1]之间均匀分布的随机数。[0129] 光线剩余能量的计算，包括以下步骤：[0130] 光线发射后，到达壁面网格和介质网格；[0131] 当到达壁面网格时，光线会发生反射，反射的方向根据壁面光线发射方向重新确定新的方向，光线的一部分能量会被壁面吸收；其中，壁面吸收能量的大小与壁面发射率还有光线剩余能量有关，壁面网格的光线剩余能量的计算公式为：[0132] Ea1=ε*E’[0133] E=E’?Ea1[0134] 式中，Ea1为壁面吸收能量，E’为光线经过前一网格后的剩余能量，E为光线经过当前网格后的剩余能量，ε为壁面发射率；[0135] 当光线到达介质网格时，光线一方面会被介质吸收一部分能量，另一方面会发生散射，介质吸收能量与介质的吸收系数以及光线在介质中传播的长度有关，介质网格的光线剩余能量的计算公式为：[0136] Ea2=E’*exp(L*Ka)[0137] 式中，Ea2为光线被介质吸收能量，L为光线在介质中传播的长度，Ka为介质的吸收系数；[0138] 光线到达介质网格时的光线是否发生散射，与散射系数和光线已传播的距离有关，散射距离Ls为：[0139] Ls=?ln(1.0?r)/σs[0140] 式中，σs为散射系数，r为[0,1]之间的随机数；[0141] 当光线在介质中传播的长度L小于散射距离Ls时，光线沿之前方向继续传播，用散射距离减去L作为新的散射强度；[0142] 当光线在介质中传播的长度L大于散射距离Ls时，光线在介质中发生散射，散射方向由介质发射方向重新确定，生成随机数重新计算散射距离，以散射点为新的发射点继续跟踪光线，直至光线剩余能量小于一定值。[0143] 当从一个网格发射的所有光线追踪结束后，得到该网格对其他所有网格的辐射传递因子RDij；定义辐射传递因子RDij为由网格i辐射出去的被网格j吸收的能量占网格i向外辐射出去的总能量的份额，辐射传递因子RDij的计算公式为：[0144] RDij=Eaij/E0*N[0145] 其中，RDij为网格i对网格j的辐射传递因子，Eaij为网格i发出的被网格j吸收的辐射能量，E0为光线初始能量，N为网格i光线数目；[0146] 当所有的网格均被作为发射单元计算后，得到所有网格之间的辐射传递因子。[0147] 在步骤S5中，将辐射传递因子和温度场等信息，代入壁面网格的辐射能量守恒方程中，对壁面辐射热流密度进行求解。[0148] 其中，壁面网格的辐射能量守恒方程为：[0149][0150] 式中，等号左边第一项表示第i个壁面网格上的净辐射热流，等号左边第二项为壁面网格i向外发射的辐射热流，即离开壁网格i的能量；等号右边两项分别代表所有介质网格和壁面网格进入壁面网格i的辐射能量；其中，q、F、T、σ、ε、 、V和RDij分别为网格净辐射热流密度、面积、温度、辐射常数、发射率、吸收系数、体积和辐射传递因子，N和M分别代表介质网格数目和壁面网格网格数目。[0151] 在给定几何模型下，计算求得的辐射传递因子在一定温度、压强和组分范围内可近似认为是不变的，因此，在对辐射传递因子进行单次求解后，可以代入到辐射能量平衡方程重复使用进行计算，对不同温度分布下的壁面辐射热流密度进行快速求解，对发动机排气系统的热辐射效应进行分析。[0152] 本发明还提出了一种发动机排气系统热辐射效应分析系统，包括：[0153] 模型构建模块，用于根据发动机排气系统的系统架构，建立模拟发动机排气系统热辐射效应的几何模型；[0154] 温度场信息获取模块，用于通过对几何模型的流动换热进行数值模拟，获得温度场的计算结果；[0155] 网格信息提取模块，用于对几何模型的辐射部分进行非结构化三角形和四面体体网格划分，并提取三角形面网格和四面体体网格的网格信息；将发动机排气系统的壁面发射率、介质的吸收系数、散射系数和每个网格发射的光线数目导入提取的网格信息中；[0156] 辐射传递因子计算模块，用于基于路径长度的蒙特卡洛方法，通过模拟光线发射位置和发射方向，对各个网格发射光线进行光线追踪；通过判断光线相交网格属于壁面还是介质网格，对光线分别进行反射和散射处理，通过网格发射光线能量的衰减，处理壁面和介质对光线能量的吸收，计算光线剩余能量；当光线剩余能量小于设定阈值，光线追踪停止；重新发射一束光线进行跟踪，在光线数达到规定数目后更换下一个网格发射光线，以此类推直至所有网格的所有光线发射并跟踪完毕；统计各光线能量分配比例，获得各网格之间的辐射传递因子；[0157] 辐射热流密度计算模块，用于根据温度场和辐射传递因子的计算结果，通过能量守恒方程求解壁面辐射热流密度，获得发动机排气系统的热辐射效应分析结果。[0158] 本发明提出的发动机排气系统热辐射效应分析方法和系统的优势在于：[0159] 1、通过对给定几何结构模型进行非结构化三角形和四面体网格划分处理，并通过编写UDF程序对三角形面网格和四面体体网格信息进行提。姹芰耸侄滞袷北呓缤窕址彼黾澳岩曰值奈侍，可以处理各种复杂几何结构模型。[0160] 2、不需要对空间立体角进行离散处理，不需要求解辐射传递方程，不存在假散射和射线效应，便可以对三角形面网格和组成四面体体网格的三角面进行求交，确定光线的走向，对光线进行追踪，以此来考虑介质辐射和介质的散射效应。[0161] 3、在物体几何形状和辐射物性变化不大的情况下，计算得到的辐射传递因子可以重复代入使用，此时只需代入壁面和介质的温度就可进行快速计算，可以大幅提高计算速度。[0162] 4、蒙特卡洛法是一种基于概率统计的方法，网格数目和发射光线数目越多计算精度越高，可以根据网格数目和光线数目调整计算精度和速度。[0163] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。[0164] 另外，除非另有说明，否则本发明使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的常规技术人员通常理解的相同含义。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

专利地区：陕西

专利申请日期：2024-08-07

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118643551B