随着燃烧温度的升高,发动机热端部件内的热辐射效应已成为燃烧过程组织控制、高温热防护设计等工作不可回避的关键因素,忽视其影响可能造成“过保护”或“欠保护”等诸多问题。由于热辐射具有全场性、非灰性、耦合性的本质特点,不仅与燃气温度、组分、浓度复杂关联,同时还与燃料的蒸发、雾化、燃烧、炭黑生成以及湍流脉动的多物理过程相互耦合,使得高温部件内热辐射效应的分析和预测一直是个挑战性的课题。相较而言,国内对发动机热端部件热辐射效应的机理认识、基础数据、高效求解方法研究等方面落后于燃烧、流动及其它传热方式的研究水平,往往成为高温部件热力过程全耦合模拟的一个短板,尚不能对发动机内燃烧、热设计理论形成完整可靠的辐射传热基础。针对以上需求,本文主要围绕发展发动机热端部件内高效辐射换热数值求解技术和认识辐射热环境及其与主被动冷却结构的耦合特性规律两个方面开展研究,主要内容包括发动机热端部件高温燃气非灰辐射特性参数计算方法、辐射传输并行求解技术、辐射换热模拟与实验验证、辐射热环境及其与冷却结构耦合特性等四个部分。高温燃气非灰辐射特性处理方法是发动机热端部件内高效热辐射求解技术首先要解决的一个关键问题,非灰特性计算方法需要能够适应燃烧产物典型工况并解决计算精度和计算效率的调和问题。为适应这一需求,论文采用基于窄谱带合并、气体粒子累积K分布函数合并的方法发展了气粒混合物合并宽窄谱带K分布模型(CWNBCK)计算高温燃气辐射特性参数,该方法可在宽光谱范围(最宽可以全谱范围)内处理非灰特性,计算效率高。通过非等温非均匀、高温高压、大梯度温度/组分变化、气粒混合介质等燃烧产物典型工况算例的考核,验证了该方法处理发动机非灰辐射的适应性和可靠性。辐射传输并行求解技术是基于CFD框架下的发动热端部件多物理场全耦合高效模拟技术的一个重要方面。因此,为与CFD中的空间分区并行技术相适应,本论文系统开展了参与性介质热辐射传输分区并行计算技术的研究。通过采用“透明边界”假设和“迭代延迟法”进行分区边界数据交换,解决了由辐射传输全场性特点造成的“数值”边界处理技术难点。为解决辐射传输分区并行计算中出现的随分区数增加而收敛减缓的现象,根据辐射传输方向性特点,提出“差动方向扫描顺序规则”,减少子区域间数据传递的延迟,从而提高了辐射传输分区并行计算的收敛性,进而提高了并行效率。而基于谱带并行、方向并行策略研究结果并依据辐射平衡时的光谱无关性假设,给出了参与性介质辐射传输求解的谱带/分区结合的多层次并行策略,不仅降低了对内存的需求而且提高了热辐射传输并行计算的灵活性。最终,将辐射传输谱带/分区并行技术与高温燃气非灰辐射特性参数计算的CWNBCK方法结合,给出了发动机高温部件内热辐射数值计算方案,通过不同模型算例分析,显示了该数值求解技术的可靠性。为通过实验验证热辐射数值求解技术的可靠性,以火焰筒燃烧实验台为基础,通过在火焰筒壁面不同位置上安装热流、温度测点的方式,测量了不同油气比工况下的火焰筒壁面总热流和辐射热流数据。根据实验条件,在燃烧流动CFD模拟结果的基础上,将本文计算的壁面辐射热流与实验结果进行了对比,其相对误差保持在-38.89%~32.54%之间,验证了本文计算的可靠性。同时分析指出,在本文试验条件下,随着油气比升高:辐射占比可增大至24%,炭黑颗粒对辐射热流影响加大,能达到25%,壁面辐射热流的周向不均匀度明显要小于温度分布的不均匀度,这是由于辐射传输具有全场性,对辐射热流空间分布具有拉平作用。利用本文发展数值求解技术,针对某型航空发动机,分析了不同工况下燃烧室壁面、燃烧室出口面以及一级静叶表面辐射热流分布特性,研究指出了燃烧室出口辐射热流密度分布的不均匀性加剧了一级静叶叶片温度分布的不均匀性,使得正对着燃气高温区和高辐射热流区的静叶表面温度水平高于平均水平近200~300K。为了表征燃烧室出口辐射热流密度的不均匀性,论文提出总的辐射分布因子ORDF(Overall Radiation Distribution Factor)、径向辐射分布因子RRDF(Radial Radiation Distribution Factor)和周向辐射分布因子(Circle Radiation Disribution Factor)三个参数用于定量描述燃烧室出口辐射热流密度分布的径向/周向二维不均匀性,便于确定燃烧室高辐射热流密度区域。论文还进一步以简单热辐射传输模型分析了热辐射与热障涂层的耦合传递作用规律,研究指出总体上8YSZ和Gd2Zr O7(GZ)两类热涂层对热辐射的隔绝效果明显,需要注意的是在涂层对投射辐射的透过和自身的吸收再发射综合作用会使得到达金属基底的辐射热流反常增大,因此涂层使用需要综合考虑投射辐射和自身发射水平的双重制约。同时论文还分析了热辐射与气膜冷却结构对壁面的耦合换热影响,指出在气膜前端热辐射效应会显著降低气膜冷却的冷却效率;然而在气膜下游区域,由于壁面温度的升高,辐射对壁面产生宏观冷却效应。