MoneCarlo方法计算辐射.docVIP

第1章 绪论 1.1课题研究背景和意义 1.1.1 课题研究的背景 随着国民经济的高速发展，人民生活水平不断提高，为了创造一个舒适的生活环境，人们普遍采用了各种各样的空调器、采暖设备等等。在冬天，各种各样的采暖设备被广泛使用，如暖气片、辐射板、采暖空调、电加热器等等。能源消耗日益巨大，在某些地方由于使用烧煤、烧气等采暖，造成了一定的环境污染。因此，需要一种即节能，且无污染的采暖设备。 辐射板是一种节能，而且没有污染的采暖设备，在欧洲等发达国家，已经被大量使用。在中国，北京某些新建的住宅楼也采用了辐射板采暖。有的公司还开发出具有保健作用的辐射板，市场潜力巨大。 以前计算辐射换热大多采用分析解法，如微分法、积分法、代数法等等。对于一些比较简单的几何表面，上述方法可以解决。但是在实际情况中，由于各表面之间的复杂性，分析解法很难解决这些问题。目前，随着计算科学的不断发展，在工程上，开始将数值计算法应用于辐射角系数的计算。 1.1.2 课题研究的目的和意义 本论文研究的目的就是计算出辐射板位置对人体舒适度的影响。1984年国际标准化组织（ISO），在ISO7730标准[1]中，用PMV和PPD指标来描述和评价热环境。在指标综合考虑了人体活动情况、着衣情况、空气温度、湿度、流速、平均辐射温度等六个因素。在稳态热环境下，丹麦工业大学的Fanger[1,2]提出PMV-PPD评价方法，该法是以下列热平衡式为基础的： 人体产热－对外做功消耗－体表扩散失热－汗液蒸发失热－呼吸的显热和潜热交换=通过衣服的换热=在热换境内通过对流和辐射的换热 本论文用Monte Carlo方法计算出在热环境内的辐射换热，这是最主要的工作。然后计算对流换热和其他人体散热，从而计算出人体舒适度。不同的辐射板布置方式就有不同的辐射换热，人体舒适度也不同。确定一个较佳的辐射板布置位置，从而使PMV值在-0.5至0.5之间，使人感到舒适。 1.2 国内外研究综述 由于分析解法的复杂性，很多工程上的辐射换热问题都难以解决。随着计算机技术的快速发展，现在工程上计算辐射换热大多采用数值计算方法。 例如由Lewis 和 Morgan[5]提出的对三维空间辐射环境的数值分析。假定一个三维矩形封闭空间，对这个空间进行分区，沿x, y, z轴用Mx, My, Mz来表示。如果体积块（I, J, K）是一个固体，则空间指数为1，否则为0。 (1-1) 如果Sg(I,J,K)=1,对象就有六个独立表面，为了和别的对象区别开来，表面指数Sw如下所示： (1-2) L表示表面位置，通过几何考虑，Sw（I,J,K,L）w(I,J,K,L)=1的时候，表面数Sn(I,J,K,L)可以用控制数值计算。 从点发射出来的辐射束在平面上都是均一的。这可以假定两个0到1之间的两个任意数，R1和R2。等式（21）适用于当表面的Sn=(I,J,K,3)=m的时候。辐射束发射的方向由另两个任意数Rη和Rθ表示，由方向余弦表示如下： , (1-3) 当认为一辐射束到达体积块(I,J,K)时，如果Sg(I,J,K)=1,则辐射束碰到了一个固体表面，否则，这一辐射束就穿过这个体积块。如果辐射束在x方向上通过一个邻近的块，则飞行长度为： (1-4) 在y方向上： (1-5) 在z方向上： (1-6) 实际飞行长度Dl取三者之中的最小值，即 Dl=min(Dlx , Dly, Dlz) (1-7) 因而，对于邻近的同等的块，辐射束可以处理为： (1-8) 新的分块的位置由表1给出。当Sg(I，,J，,K，)=1时，辐射束到达一个表面，其表面数为Sn(I，,J，,K，,L，)=m，。到达表面计数Nmm,为 Nmm, =Nmm,+1 (1-9) 这里，下脚标m表示辐射束发散出来的表面。如果Sg(I，,J，,K，)=0，则检查下一个分块直到到达固体块，例如人体，家具或墙体。 还有在文献[6]中的形态系数直接数值积分分析方法；假象单位半球、假象半立方体表面射影面积方法；光子路径模拟方法等等。 1.3 Monte Carlo方法概述 1.3.1 Monte Carlo 方法的定义 Herman Kahn[4]对Monte Carlo方法作了下述定义，看来它反映了该方法的独特想法：“在任何合理的碰运气比赛中，参加者的预期得分原则上可以（虽然很复杂）由许多次比赛的结果取平均得到。可以通过各种方法是这样的估算更有效，这就是用另外一个已经知道会有相同的