10月22日，国际权威期刊《Combustion and Flame》(影响因子：5.767)刊发了本团队在辐射传热方面的最新研究成果：“Non-gray gas and particle radiation in a pulverized coal jet flame”。

该论文的第一作者分别为郭军军博士，通讯作者为柳朝晖教授。该工作得到了国家自然科学基金项目（(51906075）、国家重点研究计划(2019YFE0100100)和沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的支持。

辐射传热占煤粉锅炉中火焰与水冷壁热传递的90%以上，辐射参与性介质包括气体、碳烟(soot)和未燃尽炭颗粒；深入理解炉内辐射行为对于预测辐射传热和炉内辐射控制至关重要，也是锅炉和燃烧器设计的基础。本文基于 CRIEPI 煤粉射流火焰的大涡模拟，研究了气体、碳烟和未燃尽炭颗粒对总辐射的单独贡献。数值模拟中使用了本团队前期开发的多相介质非灰辐射特性模型来预测介质的辐射特性：采用全光谱相关 k 分布 (FSCK) 模型计算气体-碳烟混合物的辐射特性；采用基于颗粒燃尽度的辐射特性模型计算未燃尽炭的辐射特性。结果表明，预测的煤颗粒、焦油和碳烟的空间分布与实验数据吻合良好；灰气体辐射模型预测的火焰温度会降低约 50 K，并且预计的烟灰体积分数峰值会降低约 22%；对于所研究的射流火焰，气体、碳烟和未燃尽炭的辐射贡献分别为 35%、40% 和 25%。此外，这些贡献率随火焰位置而变化。由于颗粒浓度高，未燃尽炭颗粒的贡献在脱挥发分区域占比高达 65%。碳烟辐射在煤粉火焰中起重要作用，在平均碳烟体积分数达到最大值 2.7 ppm 时，碳烟的辐射贡献为总辐射的 50%，占总颗粒（碳烟尘和未燃尽炭）辐射的 70%。

图1 各辐射参与性介质在不同火焰高度处对总辐射的贡献

低碳燃烧团队对弥散介质的辐射特性研究起始于20世纪90年代，基于Mie理论发展建立了未燃尽炭的辐射特性模型(郑楚光, 柳朝晖. 华中理工大学出版社, 1996; Liu et al. APJCE. 2000)。近年来，为提高富氧燃烧锅炉中辐射热传递的预测精度，我们进一步发展了介质的非灰辐射特性模型，通过借鉴全光谱k分布思想，将气体、颗粒辐射的参数进行重排，得到非灰气体 (常压Guo et al. IJHMT, 2015; 加压 Guo et al. IJER, 2021)和非灰颗粒 (飞灰Guo et al. IJHMT, 2018；未燃尽炭Guo et al. PCI, 2019) 的灰气体/颗粒加权辐射特性模型 (WSGG-SK/WSGP-SK)，并考虑了颗粒化学成分对辐射特性的影响(Wan et al. PCI, 2021)；进一步的，研究了气体与颗粒辐射的光谱耦合特性，发展了适用于气体-碳烟混合物的飞灰辐射特性模型(Guo et al. IJHMT, 2021)，形成了“气体-碳烟-未燃尽炭”辐射特性模型体系，模型计算量小，适用范围宽(可适用于CO₂/H₂O=0.05-4.0，T=600-2500 K)，精度可靠。上述辐射特性模型已成功用于35MW_th和200MW_e富氧燃烧炉内传热规律的研究(Guo et al. Fuel, 2015; Guo et al. Fuel, 2017; Guo et al. Applied Energy, 2018)。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2022.112433