一种基于GPU加速及逐线法模型的辐射传热计算方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110147584A(43)申请公布日2019.08.20(21)申请号201910338144.0(22)申请日2019.04.25(71)申请人东南大学地址210018江苏省南京市玄武区四牌楼2号(72)发明人梁财曾鑫陈晓平段伦博马吉亮刘道银(74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司32200代理人李想(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书3页说明书9页附图6页(54)发明名称一种基于GPU加速及逐线法模型的辐射传热计算方法(57)摘要本发明公开了一种基于GPU加速及逐线法模型的辐射传热计算方法及系统。该方法的步骤包括：1、获取多维燃烧系统燃烧产物烟气参数。2、采用Mie理论计算烟气中颗粒的辐射特性。3、采用GPU加速的逐线法模型计算烟气中气体的辐射特性。4、计算烟气总的光谱辐射特性。5、基于GPU计算多维燃烧系统的辐射传热。6、基于Python和OpenGL将所有的计算结果进行可视化处理。本发明能够计算较大尺寸的燃烧系统辐射传热问题，提高了工作效率和研究效率，更高效、精确地计算辐射传热。可应用于流化床，锅炉等燃烧系统有关的辐射传热问题研究。CN110147584ACN110147584A权利要求书1/3页1.一种基于GPU加速及逐线法模型的辐射传热计算方法，其特征在于：步骤如下：1)、获取烟气参数：从流化床或锅炉中测量获得烟气参数，并获取多维燃烧系统燃烧产物烟气参数；该参数包含温度、压力、CO2分压、水蒸气分压、颗粒种类、颗粒浓度及颗粒粒径；2)、颗粒辐射特性计算：通过采用Mie计算方法对烟气中的颗粒辐射特性进行计算，该颗粒辐射特性为颗粒的光谱散射系数和光谱吸收系数；3)、气体辐射特性计算：基于GPU平台采用GPU加速逐线法模型，计算烟气中的气体辐射特性，该辐射特性为气体的光谱吸收系数；4)、烟气参数耦合计算：基于烟气参数计算烟气的总光谱吸收系数；5)、辐射传热计算：基于GPU平台采用GPU计算多维燃烧系统的辐射传热，该辐射传热为辐射传热值与辐射源项；6)、对步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)计算得到的颗粒辐射特性、气体辐射特性、烟气总辐射特性、多维燃烧系统辐射传热的结果进行可视化处理。2.根据权利要求1所述的基于GPU加速及逐线法模型的辐射传热计算方法，其特征在于：所述的步骤2)中采用Mie方法计算烟气中的颗粒辐射特性的步骤如下：(a)、建立燃烧产物中的灰分、烟黑及碳颗粒等颗粒高精度的颗粒复折射率数据库；m为复折射率数据，其表达式为：m＝n-ki其中，n为颗粒的折射指数，k为颗粒的吸收指数，i为虚数单位，m为复折射率；(b)、根据步骤(a)中获得的复折射率，根据颗粒种类和颗粒粒径D，基于复折射率数据库采用以下公式计算单个颗粒的光谱消光系数、光谱吸收系数和光谱散射系数；Qabs＝Qext-Qsca其中，χ为尺度参数，其表达式为χ＝πD/λ，式中π为圆周率，λ为波长；Ψ(x)和ξ(x)分别为第一类Bessel函数和第二类Hankel函数；an、bn均为Mie散射系数；Qext为单个颗粒的光谱消光系数，Qsca为单个颗粒的光谱吸收系数，Qabs为单个颗粒的光谱散射系数；Re()表示取复数实部；n值根据以下经验公式计算得到：n＝2+χ+4·χ1/3其中χ＝πD/λ为尺度参数。(c)、然后根据颗粒浓度fv，通过下式计算烟气中多颗粒总的光谱散射系数和光谱吸收系数；2CN110147584A权利要求书2/3页κp,v＝β-σs其中β为多颗粒总的光谱消光系数，σs为多颗粒总的光谱散射系数，κp,v为分别为多颗粒总的光谱吸收系数，下标p表示颗粒，下标v表示波数为波长λ的倒数；fv为颗粒浓度；D为颗粒粒径。3.根据权利要求1所述的基于GPU加速及逐线法模型的辐射传热计算方法，其特征在于：所述步骤3)中基于GPU平台采用GPU加速逐线法模型计算气体辐射特性的步骤如下：(a)、基于高温气体数据库HITEMP2010的数据，通过以下公式计算不同温度和压力、CO2分压，水蒸气分压下半宽及洛伦兹线性函数数据；其中，γi为气体碰撞增宽半宽；Tref＝296K，下标ref代表标况；T为烟气温度；p为烟气总压力；ps为CO2分压或水蒸气分压；n为空气增宽半宽的温度依赖系数，γself为自增宽半宽，γair为空气增宽半宽，这些数据由数据库提供；(b)、基于高温气体数据库HITEMP2010的数据，通过以下公式计算不同温度下谱线线强数据；其中，Si(Tref)为Tref＝296K下的谱线线强，E”为低态能量，vi为中心波数，这些数据由数据库提供；h为普朗克常数；c为真空中光速；kB为玻尔兹曼常数；Si(T)为计算得到烟气温度T下的谱线线强数据