表面熱輻射調控與定向傳輸特性研究.pdf

1、作為熱量傳遞的三種基本方式之一，熱輻射廣泛存在于熱能、動力與推進、太陽能利用、化工、材料制造、飛行器熱控制與熱防護等技術領域，并以不同的形式與導熱、對流傳熱方式耦合，形成熱量的傳遞和交換。另一方面，熱輻射是由于熱的原因而產生的電磁波，作為可見光和紅外波段的探測信號，在光學測量、紅外探測和遙感等領域得到廣泛應用。其傳播過程是一種具有光譜特征和特定空間分布的輻射能量在復雜背景和干擾環(huán)境中的定向傳輸行為，涉及復雜的幾何系統(tǒng)、結構輻射特性和溫度

2、場。因此，熱輻射調控與輻射定向傳輸問題研究具有重要的應用價值和學科交叉性理論意義。
　　本文以高溫熱防護與空間紅外探測兩類技術領域為主要應用背景，通過機理模型分析、計算方法研究和數值模擬，對高溫材料表面的熱輻射調控特性和空間紅外探測中的輻射定向傳輸特性進行了研究。
　　首先對求解熱輻射傳遞的蒙特卡羅法進行了改進研究。針對空間紅外探測等定向傳輸系統(tǒng)復雜、幾何尺度變化大、多輻射源的特點，研究了正反雙向分段計算與蒙特卡羅法相結合的

3、輻射定向傳輸計算方法，通過算例分析，驗證了該方法相對于傳統(tǒng)蒙特卡羅法的優(yōu)越性。針對高溫陶瓷材料內熱輻射計算網格與導熱計算網格疏密性要求的差異，開展了輻射換熱源項的求解方法研究，構造了局部輻射網格法，通過計算比較，考察了計算方法的適用性及相關參數的影響。
　　從介質輻射傳遞理論出發(fā)，考慮材料服役過程中的溫度場，結合界面反射和折射關系，建立了高溫陶瓷材料的表面發(fā)射率計算模型?；谠撃Ｐ?，采用反向蒙特卡羅法模擬分析了等溫材料表面的熱發(fā)射

4、特性。采用雙向蒙特卡羅法與控制容積法，結合譜帶模型，模擬計算了氣動加熱下高溫陶瓷材料的溫度場；分析了在該溫度作用下，陶瓷材料表面熱輻射發(fā)射率及材料性質、表面狀況和氣動熱流密度的影響。
　　在上述計算方法和表面輻射特性研究基礎上，從高溫熱防護結構內的熱量輸運分配和多量場耦合機制出發(fā)，建立了高溫表面的兩種熱輻射調控系統(tǒng)模型。采用控制容積法、局部輻射網格法與蒙特卡羅模擬，計算分析了輻射散熱調控特性及主要影響因素。以蒙特卡羅法為基礎，采用

5、正反雙向分段計算，模擬了對地多光譜紅外測量系統(tǒng)、空間目標光學探測系統(tǒng)、太陽能聚集系統(tǒng)三種輻射定向傳輸過程，分析了幾何結構、元件輻射特性、溫度以及背景環(huán)境等因素的影響。
　　通過上述研究，掌握了表面熱輻射調控與輻射定向傳輸特性的計算分析手段，從表面輻射特性、熱量輸運分配、輻射傳輸系統(tǒng)的方向性控制三個方面，深入分析了表面輻射的發(fā)射和傳輸調控特性，獲得了細致的特性規(guī)律認識。為高溫熱防護和紅外探測等相關技術應用，提供了必要的認識基礎與理論