工业炉膛中的高温烟气、火焰与炉壁之间存在强烈的辐射换热，辐射传热份额常占总换热的百分之九十以上。准确预测炉膛内的温度场与壁面热流密度，对燃烧器布置、炉管安全与热效率优化至关重要。气体燃烧产物中的二氧化碳与水蒸气在红外波段具有显著的选择性吸收发射能力，不能按透明介质处理。本项目的科学问题是：炉膛内的气体温度在考虑辐射后与纯对流工况有何差异？壁面接收的辐射热流沿炉长如何分布？利用ANSYS Fluent的离散坐标（DO）辐射模型耦合燃烧流动可以定量分析炉膛辐射传热。
辐射传热由辐射传递方程描述，该方程刻画辐射强度沿射线方向在吸收、发射与散射介质中的变化。对参与性介质，辐射强度I满足dI/ds=-(kappa+sigma_s)·I+kappa·I_b+(sigma_s/4·pi)·∫I·dOmega，其中kappa为吸收系数、sigma_s为散射系数、I_b为黑体辐射强度。DO模型将辐射传递方程按有限个立体角方向离散并逐一求解，能够处理吸收发射性气体与壁面间的辐射。气体吸收系数采用灰气体加权和模型或由组分浓度与温度查表获得，使二氧化碳与水蒸气的选择性吸收得到近似。火焰与高温烟气作为辐射源，将热量传递给相对低温的炉壁与水冷壁管。
建立二维轴对称炉膛模型，炉长2.2米，入口处为燃烧器喷口，燃料与空气在此混合燃烧，出口为烟气排放口。在ANSYS Fluent中启用组分输运与涡耗散燃烧模型求解燃烧放热，湍流采用标准k-epsilon模型。辐射模型选用DO模型，气体吸收系数按WSGGM加权灰气体模型计算以考虑二氧化碳与水蒸气的辐射特性，炉壁设为灰体漫射表面并给定发射率与壁温。先在不开启辐射模型的对流工况下求解温度场作为对照，再开启DO模型计算耦合辐射的温度场与壁面辐射热流密度，对比两种工况的差异。
图18的左侧面板（a）给出炉膛中心线气体温度沿轴向的分布，对比考虑辐射与否两种工况。红色实线为开启DO辐射模型的温度分布，蓝色虚线为纯对流工况。两种工况均在燃烧器附近（约0.3米处）达到最高温度，但数值显著不同：纯对流工况峰值温度高达约2100开尔文，且向下游衰减迅速，出口温度降至较低水平；考虑辐射后峰值温度被削平至约1800开尔文，整体温度分布更加均匀，出口温度显著升高。辐射使高温区通过辐射换热把热量迅速传递给低温炉壁与下游烟气，起到”削峰填谷”的均温作用。这一差异说明忽略辐射会严重高估火焰峰值温度并低估炉膛出口温度，影响炉管热负荷评估。
图18的右侧面板（b）给出壁面辐射热流密度沿轴向的分布。热流在燃烧器附近的火焰高温区迅速上升，在约0.55米处达到约200千瓦每平方米的峰值，随后随烟气温度下降而逐渐衰减，到炉膛尾部降至较低水平。热流峰值位置略滞后于气体温度峰值，反映了辐射换热的空间平均效应。壁面热流密度的非均匀分布意味着近燃烧器区域的炉管承受最高的辐射热负荷，是水冷壁与炉管设计及结焦监控的重点部位。定量把握辐射热流的轴向分布，有助于优化燃烧器间距、调整炉管布置以避免局部过热。
两面板结合，左面板揭示了辐射对炉膛温度场的整体影响，右面板给出了壁面热负荷的定量分布，共同完成了Fluent热辐射仿真对炉膛辐射传热的系统分析。
本项目用ANSYS Fluent的DO辐射模型模拟了炉膛燃烧辐射传热，考虑辐射后峰值温度由约2100开尔文降至约1800开尔文，温度场更均匀，壁面辐射热流在约0.55米处达约200千瓦每平方米的峰值。案例图以中心线温度对比与壁面热流曲线双面板呈现。后续可拓展：(1)采用非灰气体模型提高辐射计算精度；(2)加入煤粉或油雾颗粒相，分析颗粒辐射的贡献；(3)耦合炉管内的工质流动传热，开展炉膛-管束的整体热力计算。
