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辐射问题的球谐函数—离散坐标法研究

作　者: 史萌
导　师: 阮立明
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 球谐函数-离散坐标法大气辐射散射性质
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

辐射过程是大气中最重要的物理过程之一,近年来计算机的发展,为大气辐射传输数值计算的迅速发展提供了可能。球谐函数法在20世纪初就被提出了,最早应用于星际辐射领域,在中子传输领域应用的最为广泛。但将其和其他方法相结合的历史却很短。球谐函数-离散坐标法是Evens在1998年提出的关于三维大气辐射传输计算的数值方法,这种方法结合了球谐函数法和离散坐标法的优点,相比传统的球谐函数法其物理意义更加清晰,数学模型更加简单,且有精度和计算效率上的优势。本文研究了球谐函数-离散坐标法(SHDOM)的基本原理,将SHDOM程序的计算结果与BMC程序的计算结果进行比较,分别计算了以下几种情况的辐射强度的变化:(1)各向同性散射下,固定波长和衰减系数,变化反照率;(2)各项同性散射下,固定波长和反照率,变化衰减系数;(3)各向异性散射下,相函数为(1 + cosθ)和(1 ? cosθ)时,分别变化反照率和衰减系数。应用云的典型伽马分布参数计算了层云的散射性质,并利用该散射性质,结合SHDOM程序,对二维大气辐射模型进行计算。根据一维算例的计算结果,随着计算模型中反照率和衰减系数的增大,程序的计算误差有变大的趋势。在云滴谱采用伽马分布典型参数的情况下,计算得到的衰减系数和反照率随有效半径的变化曲线会出现一个峰值,该峰值在衰减系数等于3附近出现。二维大气辐射传输算例中,顶面出射辐射强度的分布存在多个峰值,其成因有两个,一个是由于无云层衰减的底面直射产生,另一个是由对顶面向下辐射的强烈散射产生。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-14
  1.1 课题背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究情况  10-13
    1.2.1 球谐函数法  10-11
    1.2.2 球谐函数-离散坐标法  11-12
    1.2.3 云滴的谱分布  12
    1.2.4 云和辐射的相互作用  12-13
  1.3 研究内容  13-14
第2章球谐函数-离散坐标法的基本理论  14-22
  2.1 球谐函数变换  14-15
  2.2 相函数的勒让德展开  15-16
  2.3 辐射强度场的初始化  16-17
  2.4 沿离散方向的积分  17-19
  2.5 边界条件  19-20
  2.6 热流密度  20
  2.7 本章小结  20-22
第3章球谐函数-离散坐标法程序介绍  22-31
  3.1 SHDOM程序的计算流程  22-24
  3.2 SHDOM程序输入参数  24-27
    3.2.1 常规参数输入文件  24-25
    3.2.2 介质物性输入文件  25-27
  3.3 SHDOM程序输出参数  27
  3.4 网格结构  27
  3.5 程序涉及的其他方法  27-28
    3.5.1 IP(Independent Pixel)方法  28
    3.5.2 Delta-M方法  28
  3.6 “T”格式物性文件的生成  28-30
  3.7 本章小结  30-31
第4章球谐函数-离散坐标法程序的数值计算  31-58
  4.1 一维模型  31-42
    4.1.1 各向同性散射  31-38
    4.1.2 各向异性散射  38-42
  4.2 二维大气辐射传输模型  42-57
    4.2.1 云的特性  42-45
    4.2.2 层云散射特性  45-47
    4.2.3 辐射传输计算  47-57
      4.2.3.1 辐射强度  49-51
      4.2.3.2 热流密度  51-52
      4.2.3.2 净热流密度  52-53
      4.2.3.3 球谐函数  53-54
      4.2.3.4 源函数  54
      4.2.3.5 周期性边界条件下部分计算结果  54-57
  4.3 本章小结  57-58
结论  58-59
参考文献  59-62
攻读学位期间发表的学术论文  62-66
致谢  66

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