This work describes the low-resolution spectral modeling of the water vapor, carbon dioxide and their mixtures by applying the weighted-sum-of-gray-gas-gases model (WSGGM) to each narrow band. Proper modeling scheme of gray gas absorption coefficients vs temperature relation is suggested. Comparison between the modeled emissivity calculated from this relation and the 'true' emissivity obtained from the high temperature statistical narrow band parameters is made for a few typical narrow bands. Low resolution spectral intensities from one-dimensional layers are also obtained and examined for uniform, parabolic and boundary layer type temperature profiles using the obtained WSGGM's with several gray gases. The results are compared with the narrow band spectral intensities obtained by a narrow band model-based code with Curtis-Godson approximation. Good agreement is found between them. Data bases including optimized modeling parameters and total and low-resolution spectral weighting factors are developed for water vapor, carbon dioxide and their mixtures. This model and obtained data bases, available from the authors' Internet site, can be appropriately applied to any radiative transfer equation solver.
Combined convection and radiation heat transfer in a circular tube with circumferential fins and circular disks is investigated for various operating conditions. Using a finite volume technique for steady laminar flow, the governing equations are solved in order to study the flow and temperature fields. The P- 1 approximation and the weighted sum of gray gases model (WSGGM) are used for solving the radiation transport equation. The results show that the total Nusselt number of combined convection and radiation is higher than that of pure convection. If the temperatures of the combustion gas and the wall in a tube are high, radiation becomes dominant. Therefore, it is necessary to evaluate the effect of radiation on the total heat transfer.
WSGGM with gray gas regrouping is successfully applied to study the flame structure of opposed flow flames including effect of radiative transfer. The statistical narrow band model is used to obtain the benchmark solutions. Results obtained by using the optically thin model are shown to overestimate the emission and to predict the flame structures inadequately especially for optically thick and low stretch rate flames. Computed results by using the WSGGM with 10 gray gases and SNB model show reasonable agreements with each other, and the required calculation time for the WSGGM is acceptable for engineering applications.
The narrow band-averaged transmissivity of $CO_2-H_2O$ mixtures is expressed by multiplying the transmissivities of $CO_2\;and\;H_2O$. Applying the multiplication property of narrow band transmissivities for gas mixtures of $CO_2-H_2O$ of the narrow band based WSGGM (weighted sum of gray gases model), the number of gray gases, required for accurate representation of the absorption characteristics by using the narrow band based WSGGM, is significantly increased. To reduce the computational loads by reducing the number of gray gases, we propose a gray gas regrouping process where the gray gases used for .the WSGGM are regrouped into a specified number of groups according to the magnitudes of absorption coefficients. To evaluate the proposed WSGGM for gas mixtures, the radiative transfer problems through 3-dimensional gas media are considered. The radiative source terms and the radiative heat fluxes obtained by using the proposed method are fairly well compared to previous results obtained by using the SNB model and other models. The regrouping technique results in an excellent computational efficiency with minor loss of accuracy.
본 연구에서는 원관내에서 복사에 관여하는 고온의 가스유동에 의한 복사열전 달과 대류열전달간의 상호작용에 대해 실험과 수치해석을 통하여 고찰하고자 한다. 실험으로는 프로판가스의 화염생성에 의한 속도, 온도 및 벽면에서의 열유속분포를 측 정하고, 수치적으로는 냉염(cold flame) 상태서 측정한 난류요동성분과 연소시의 입구 속도와 온도를 초기조건으로 하여 밀도와 점성계수의 온동에 따른 변화를 고려한 K-.epsilon. 모델과 구조화근사법 및 최근에 개발되어 사용되기 시작한 Weighted Sum of Gray Gas- es모델을 사용하여 속도, 온도 및 열유속 분포를 계산하여 수치해석의 결과와 실험결 과를 비교함으로써 모델의 타당성을 검증하고, 복사에 의한 열전달량과 대류에 의한 열전달량을 분리하여 각 모드가 온도분포 및 열유속분포에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.
각종 노(furnace)를 포함하여 보일러, 가스터빈, 우주선 추진기구, 원자로 및 연료전지 등 고온이 열전달 문제를 다루는데 있어서 복사 열전달 연구는 매우 중요하다. 이러한 복사열전달에 대한 연구동향은 최근 복사 물성치(특히 가스에서의)를 예측하기 위한 이론 모델의 개발 및 측정분야와 복사전달 방정식의 해를 비교적 간단하게 구하기 위한 근사해법에 대한 연구로 크게 대별되고 있다. 이러한 두가지 연구방햐은 완전히 분리, 독립되어 있는 것은 아니며 서로 많은 연관성을 가지고 있다. 특히, 비회체가스(nongray gas)의 복사 성질에 대한 모델링은 근사 해법의 계산결과에 큰 영향을 미치게 되므로 가스의 복사 성질의 예측은 매우 중요한 연구 과제가 된고 있다. a Low resolution spectral modeling of water vapor is carried out by applying the weighted-sum-of-gray-gases model (WSGGM) to a narrow band. For a given narrow band, focus is placed on proper modeling of gray gas absorption coefficients vs. temeprature relation used for any solution methods for the Radiative Transfer Equation(RTE). Comparison between the modeled emissivity and the "true" emissivity obtained from a high temperatue statistical narrow band parameters is made ofr the total spectrum as well as for a few typical narrow bands. Application of the model to nonuniform gas layers is also made. Low resolution spectral intensities at the boundary are obtained for uniform, parabolic and boundary layer type temeprature profiles using the obtained for uniform, parabolic and boundary layer type temperature profiles using the obtained WSGGM's with 9 gray gases. The results are compared with the narrow band spectral intensities as obtained by a narrow band model-based code with the Curtis-Godson approximation. Good agreement is found between them. Local heat source strength and total wall heat flux are also compared for the cases of Kim et al, which again gives promising agreement.
A numerical study for simulating a swirling pulverized coal combustion in axisymmetric geometry is done here by applying the weighted sum of gray gases model (WSGGM) approach with the discrete ordinate method (DOM) to model the radiative heat transfer equation. In the radiative transfer equation, the same polynomial equation and coefficients for weighting factors as those for gas are adopted for the coal/char particles as a function of partial pressure and particle temperature. The Eulerian balance equations for mass, momentum, energy, and species mass fractions are adopted with the standard ${\kappa}-{\varepsilon}$ turbulence model, whereas the Lagrangian approach is used for the particulate phase for soot. The eddydissipation model is employed for the reaction rate for gaseous mixture, and the single-step first-order reaction model for the devolatilization process for coal. By comparing the numerical results with experimental ones, the models used here are confirmed and found to be one of good alternatives for simulating the combustion as well as radiative characteristics.
Single liquid droplet combustion processes including heating, evaporation, droplet burning and flame radiation were theoretically investigated by adopting nongray gas radiation model for the radiative transfer equation (RTE). n-Heptane was chosen as a fuel and the numerical results were compared with the experimental data available in the literature. The discrete ordinate method (DOM) was employed to solve the radiative transfer equation and the weighted sum of gray gases model (WSGGM) was applied to account for nongray effect by CO$_{2}$, and H$_{2}$0. Therefore, detailed effects by nongray gas and its comparison with the gray gas model could be figured out in the results. It is found that the radiative heat flux is higher when the nongray model is used, thereby reducing the maximum gas temperature and the flame thickness, but the total burning time increases due to the deceased conductive heat flux in nongray model. Consequently, a better agreement with experimental data could be obtained by using nongray model.
Radiative heat transfer is very important in many combustion systems since they are operated in high temperature. Fluid flows in most of the combustion systems are turbulent to promote fast mixing of the hydrocarbon fuel and oxidant. Major combustion products are $CO_2$ and $H_2O$. The turbulent flow is modeled by using the standard ${\kappa}-{\epsilon}$ model and the radiation transfer is modeled by using the discrete ordinates method where the radiative gas properties are calculated by using the weighted sum of gray gases model with a gray gas regrouping(WSGGM-RG). Effect of the radiation on the combustion characteristics in a three-dimensional rectangular enclosure is studied by changing the equivalence ratio. Results show that the radiation plays a significant role on the heat transfer in the combustion systems by resulting in a temperature drop of 16% as compared to that obtained without radiation. The equivalence ratio also affects the combustion by different contribution of the radiative transfer with different gas compositions.
본 연구에서는 무한 원형관 안의 복사에 참여하는 참여가스에 면을 도입시키 면, 참여가스로부터 원형관 벽면으로의 복사 열유속(radiatve heat flux)이 증진 또는 감소되는 현상을 연구하는 데 있다. 참여가스는 흡수, 방사 특성이 온도와 파장에 변하지 않는 회체가스(gray gas)이거나, 화석 연료 연소시 연소가스의 성분이며, 복사 에 참여하는, 수증기와 이산화탄소의 혼합물이다. 편의상, 이 가스를 실제가스(real gas)라 부르기로 한다.도입면은 동축 무한 원형관(coaxial Infinite cylinder)이다. 참여가스의 성분, 계의 직경, 동축 무한 원형관 사이의 직경비, 면의 방사율, 면과 가 스의 온도가 열전달 증진에 미치는 영향을 연구하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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