表面熱輻射調(diào)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(dòng)力與推進(jìn)、太陽(yáng)能利用、化工、材料制造、飛行器熱控制與熱防護(hù)等技術(shù)領(lǐng)域，并以不同的形式與導(dǎo)熱、對(duì)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(chǎn)生的電磁波，作為可見光和紅外波段的探測(cè)信號(hào)，在光學(xué)測(cè)量、紅外探測(cè)和遙感等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(fù)雜背景和干擾環(huán)境中的定向傳輸行為，涉及復(fù)雜的幾何系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)輻射特性和溫度

2、場(chǎng)。因此，熱輻射調(diào)控與輻射定向傳輸問題研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值和學(xué)科交叉性理論意義。
　　本文以高溫?zé)岱雷o(hù)與空間紅外探測(cè)兩類技術(shù)領(lǐng)域?yàn)橹饕獞?yīng)用背景，通過機(jī)理模型分析、計(jì)算方法研究和數(shù)值模擬，對(duì)高溫材料表面的熱輻射調(diào)控特性和空間紅外探測(cè)中的輻射定向傳輸特性進(jìn)行了研究。
　　首先對(duì)求解熱輻射傳遞的蒙特卡羅法進(jìn)行了改進(jìn)研究。針對(duì)空間紅外探測(cè)等定向傳輸系統(tǒng)復(fù)雜、幾何尺度變化大、多輻射源的特點(diǎn)，研究了正反雙向分段計(jì)算與蒙特卡羅法相結(jié)合的

3、輻射定向傳輸計(jì)算方法，通過算例分析，驗(yàn)證了該方法相對(duì)于傳統(tǒng)蒙特卡羅法的優(yōu)越性。針對(duì)高溫陶瓷材料內(nèi)熱輻射計(jì)算網(wǎng)格與導(dǎo)熱計(jì)算網(wǎng)格疏密性要求的差異，開展了輻射換熱源項(xiàng)的求解方法研究，構(gòu)造了局部輻射網(wǎng)格法，通過計(jì)算比較，考察了計(jì)算方法的適用性及相關(guān)參數(shù)的影響。
　　從介質(zhì)輻射傳遞理論出發(fā)，考慮材料服役過程中的溫度場(chǎng)，結(jié)合界面反射和折射關(guān)系，建立了高溫陶瓷材料的表面發(fā)射率計(jì)算模型。基于該模型，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(jié)合譜帶模型，模擬計(jì)算了氣動(dòng)加熱下高溫陶瓷材料的溫度場(chǎng)；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(zhì)、表面狀況和氣動(dòng)熱流密度的影響。
　　在上述計(jì)算方法和表面輻射特性研究基礎(chǔ)上，從高溫?zé)岱雷o(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱量輸運(yùn)分配和多量場(chǎng)耦合機(jī)制出發(fā)，建立了高溫表面的兩種熱輻射調(diào)控系統(tǒng)模型。采用控制容積法、局部輻射網(wǎng)格法與蒙特卡羅模擬，計(jì)算分析了輻射散熱調(diào)控特性及主要影響因素。以蒙特卡羅法為基礎(chǔ)，采用

5、正反雙向分段計(jì)算，模擬了對(duì)地多光譜紅外測(cè)量系統(tǒng)、空間目標(biāo)光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)、太陽(yáng)能聚集系統(tǒng)三種輻射定向傳輸過程，分析了幾何結(jié)構(gòu)、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(diào)控與輻射定向傳輸特性的計(jì)算分析手段，從表面輻射特性、熱量輸運(yùn)分配、輻射傳輸系統(tǒng)的方向性控制三個(gè)方面，深入分析了表面輻射的發(fā)射和傳輸調(diào)控特性，獲得了細(xì)致的特性規(guī)律認(rèn)識(shí)。為高溫?zé)岱雷o(hù)和紅外探測(cè)等相關(guān)技術(shù)應(yīng)用，提供了必要的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)與理論