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二维变折射率介质辐射传热及表观发射特性研究

作　者: 乔心全
导　师: 谈和平；易红亮
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程热物理
关键词: 梯度折射率多层介质辐射热传递蒙特卡洛法表观发射率
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

典型的变折射率材料包含梯度折射率材料及多层半透明材料,其在自然界和实际工程中有着广泛的应用,如光子晶体的加工成型、光线在海水和大气中的传输以及光学仪器的制造等。梯度折射率介质内由于光线弯曲传递及全反射的存在,导致辐射能量的分布与均匀折射率介质完全不同,因此必然存在一些独特的传热特性与现象。对于多层半透明介质,子层界面处因折射率阶跃存在复杂的反射和折射现象,亦会在介质内导致特殊的热光学效应。本文采用蒙特卡洛法,针对二维双向多层和任意梯度吸收发射以及散射性灰介质,研究在子层交界面镜反射、壁面镜或漫射条件下的辐射热传递,求解得到介质内的温度和热流分布以及表观发射率。主要研究内容包括:(1)基于二维均匀介质辐射传递模型,将MCM扩展用于求解二维双向多层介质内的热辐射传递,建立二维矩形介质内双向多层介质辐射—导热耦合换热模型,在与文献多层介质结果对比验证本文模型可靠性的基础上,研究并详细分析多层介质折射率排列及反照率等参数对耦合换热的影响。(2)在二维多层模型基础上根据多层逼近思想,建立二维矩形介质内梯度折射率介质耦合换热模型。通过与文献中梯度折射率介质的辐射热传递精确解对比,验证本文模型的正确性和精度。考察研究二维矩形介质四侧壁面均半透明和均不透明两种情况下的耦合换热结果,以及折射率分布、光学厚度、不透明壁面黑度、反照率以及散射相函数等对梯度折射率介质内辐射换热的影响。(3)采用多层逼近法和蒙特卡洛离散弯曲光线跟踪法,结合基于方向辐射传递因子的反向蒙特卡洛法,求解二维任意梯度折射率和二维双向多层介质的表观发射特性。与文献结果对比验证本文表观发射率计算模型的可靠性,并考察梯度折射率分布、发射位置、反照率、有无环境辐射影响以及介质温度场的不同给定方法等对介质表观发射特性的影响。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题背景以及研究的目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究进展  11-17
    1.2.1 蒙特卡洛法在计算热辐射中的应用  11-12
    1.2.2 多层半透明介质内的辐射传递研究  12-13
    1.2.3 梯度折射率介质内的辐射换热研究  13-15
    1.2.4 半透明介质的表观发射和双向反射特性研究  15-17
  1.3 本文主要研究内容  17-18
第2章蒙特卡洛法求解二维介质内热辐射传递  18-38
  2.1 蒙特卡洛法在辐射热传递中的应用原理  18-19
    2.1.1 辐射能量平衡方程  18
    2.1.2 随机数产生方法  18-19
  2.2 辐射传递因子的求解和光线传输子过程的概率模型  19-27
    2.2.1 光束辐射传输模拟中各子过程的概率模型  19-25
    2.2.2 二维矩形区域内光束的传输与定位  25-26
    2.2.3 辐射传递因子的性质  26-27
  2.3 二维网格中的坐标系变换  27-29
  2.4 二维求解域的离散物理模型  29-30
  2.5 辐射—导热耦合传热能量方程的求解  30-32
    2.5.1 二维耦合换热的能量方程  30-31
    2.5.2 调和平均导热系数  31-32
  2.6 辐射源项的线性化和边界条件的处理  32-37
    2.6.1 控制体的热辐射源项  32-33
    2.6.2 控制体源项的线性化  33-34
    2.6.3 边界条件的处理  34-35
    2.6.4 黑体环境与介质壁面辐射换热量的线性化  35-36
    2.6.5 壁面辐射热流的求解  36-37
  2.7 本章小结  37-38
第3章二维任意多层半透明介质耦合换热  38-51
  3.1 多层介质耦合换热物理模型  38-39
  3.2 界面反射率的确定和折射过程概率模型  39-41
    3.2.1 交界面反射率的确定  39-40
    3.2.2 交界面上折射过程的概率模型  40-41
  3.3 辐射传递因子的求解  41-43
    3.3.1 光线的跟踪  41-42
    3.3.2 辐射传递因子的性质  42-43
  3.4 二维多层模型的验证  43-46
    3.4.1 等价均匀介质模型验证  43-44
    3.4.2 任意层模型的检验  44-46
  3.5 壁面半透明条件下多层介质内的耦合换热  46-48
  3.6 壁面不透明条件下多层介质内的耦合换热  48-50
  3.7 本章小结  50-51
第4章二维梯度折射率介质内耦合换热  51-78
  4.1 物理模型简介  51
  4.2 相邻区域之间界面上的反射与折射  51-52
  4.3 梯度折射率模型的检验  52-58
    4.3.1 等效一维梯度折射率介质模型  53-56
    4.3.2 二维梯度折射率介质模型  56-57
    4.3.4 二维梯度折射率介质变吸收系数条件下的模型检验  57-58
  4.4 二维梯度折射率介质内的耦合换热  58-73
    4.4.1 网格无关性检验和界面反射模型的选择  58-60
    4.4.2 壁面半透明介质内的耦合换热  60-70
    4.4.3 壁面不透明介质内的耦合换热  70-73
  4.5 梯度折射率介质辐射平衡分析  73-77
    4.5.1 四侧壁面均半透明  73-74
    4.5.2 四侧壁面均不透明  74-77
  4.6 本章小结  77-78
第5章变折射率介质的表观发射特性  78-97
  5.1 表观发射率计算物理模型和求解原理  78-80
    5.1.1 物理模型  78-79
    5.1.2 求解表观方向发射率的反向蒙特卡洛法  79-80
  5.2 梯度折射率介质表观发射模型验证  80-83
    5.2.1 与解析解的比较  80-81
    5.2.2 与数值解的比较  81-83
  5.3 二维梯度折射率介质的表观发射特性  83-93
    5.3.1 等温介质  84-88
    5.3.2 非等温介质  88-89
    5.3.3 辐射平衡介质  89-91
    5.3.4 耦合换热介质  91-93
  5.4 二维多层介质的表观发射特性  93-96
    5.4.1 等温多层介质  93-94
    5.4.2 非等温多层介质  94-95
    5.4.3 辐射平衡多层介质  95-96
  5.5 本章小结  96-97
结论  97-99
参考文献  99-108
附录A 二维单层介质温度场求解程序流程图  108-109
附录B MCM 求解辐射传递因子程序流程图  109-110
附录C MCM 跟踪光束程序流程图  110-111
攻读硕士学位期间发表的学术论文  111-114
致谢  114

二维变折射率介质辐射传热及表观发射特性研究

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