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微结构泡沫铝的热辐射特性

作　者: 刘志远
导　师: 赵军明
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程热物理
关键词: 微尺度泡沫金属辐射特性等效多球近似 FDTD
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 21次
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内容摘要

泡沫金属是一类新型功能材料，具有轻质、高比表面积、高比强度等特点，在机械工程、生物工程及医疗应用等方面有广泛的应用前景。本文对入射波长与孔径尺寸相当时微尺度泡沫铝的热辐射特性进行研究。借鉴多球堆积的模型，提出了用基于T矩阵的等效多球近似方法来研究立方体框架元胞的散射，并将其与时域有限差分法对比来验证该方法的有效性。采用多球方法与时域有限差分方法分析了单元胞的散射特性，并分析了基于单层周期性元胞结构的吸收特性及多层周期性元胞的衰减特性。研究结果表明：多球离散排数对散射相函数影响不大，用较少球数可以实现计算。与时域有限差分方法相比，在相同的元胞尺寸参数下，多球近似方法具有计算量小的优点，在相同的内存需求及计算时间下，多球近似方法可以用于更大尺度参数的元胞散射特性的分析，它可以较准确的计算弱吸收介质及强吸收介质单元胞的散射相函数，但由于多球近似所带来的离散性，其在散射总能与吸收总能计算方面有较大误差。单元胞散射在尺寸参数逐渐变大时会依次经历瑞利散射、共振散射及几何光学散射，对于立方框架单元胞，发现散射特征转变的尺寸参数约为5与15。孔隙率主要影响单元胞后向散射，对前向影响不大。在基于单层泡沫金属的表面结构中，发现在低孔隙率下，尤其是孔隙率在0.4附近对入射TM波有很好的选择性吸收现象，而且吸收光谱较宽：2-8μm。孔隙率大于0.5之后，选择性吸收效果变得不明显；入射角大于50度之后其选择性吸收性也不明显，但此时吸收性能却变得更好。入射波长与孔径相当时，由于尺寸效应的存在，多层结构的辐射衰减系数随层数的增加呈非线性变化，但变化范围不超过6%，当堆叠层数大于2时，通过与经典多层介质的净辐射热量法获得的不同厚度泡沫铝的透过率进行对比发现吻合很好，进一步说明将微尺度泡沫铝等效为半透明介质利用经典辐射传递理论进行辐射换热的分析是可行的。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-16
  1.1 课题的研究背景及意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-15
    1.2.1 微尺度泡沫金属的制备  9-12
    1.2.2 热辐射特性的研究  12-14
    1.2.3 微结构辐射特性的数值模拟方法  14-15
  1.3 本文主要研究内容  15-16
第2章微尺度辐射特性的数值模拟方法  16-23
  2.1 电磁散射理论介绍  16-18
  2.2 T 矩阵法求解多球堆积散射  18-19
  2.3 时域有限差分法（FDTD）的应用  19-22
    2.3.1 FDTD 算法概述  20
    2.3.2 应用 FDTD 应注意的问题  20-22
  2.4 本章小结  22-23
第3章单元胞散射特性分析的等效多球近似  23-38
  3.1 多球计算模型  24-25
  3.2 TMSC 法的数值特性分析  25-30
    3.2.1 离散球径的影响  25-28
    3.2.2 离散排数的影响  28-29
    3.2.3 TMSC 方法计算大尺度参数元胞的散射特性  29-30
  3.3 TMSC 方法与 FDTD 方法的对比分析  30-37
    3.3.1 不同孔隙率的对比  30-35
    3.3.2 不同孔径的对比  35-37
  3.4 本章小结  37-38
第4章泡沫铝单元胞散射及多层衰减特性分析  38-52
  4.1 计算模型  38-39
  4.2 单元胞散射特性分析  39-44
    4.2.1 孔径对散射特性的影响  39-41
    4.2.2 孔隙率对散射特性的影响  41-43
    4.2.3 入射波长对散射特性的影响  43-44
  4.3 基于单层元胞结构的吸收特性  44-46
    4.3.1 孔隙率的影响  44-45
    4.3.2 入射角度的影响  45-46
  4.4 多层微米孔径泡沫金属的等效衰减特性  46-51
    4.4.1 衰减特性  46-47
    4.4.2 层间能量传递  47-51
  4.5 本章小结  51-52
结论  52-53
参考文献  53-58
攻读学位期间发表的学术论文  58-61
致谢  61

微结构泡沫铝的热辐射特性

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