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《华中科技大学》 2010年
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高方向分辨率辐射强度及表面辐射特性计算研究

黄志锋  
【摘要】:提高现有能源系统的利用效率和发展可再生新能源成为解决当前能源问题的主要途径。煤炭作为我国的主要能源形式在短期内不会改变,提高燃煤电站锅炉的运行安全性和经济性是提高能源利用效率的重要途径。在燃煤电站锅炉这种高温设备中,辐射换热是一种主要的传热方式,准确地计算辐射换热量对于锅炉系统设计等有重要的指导意义。同时,在温度场检测等逆问题分析过程中,辐射传递过程的计算是逆问题求解的前提,同样具有重要意义。 根据实际逆问题分析的需要,本文致力于发展一种适应对象广、计算效率高的高方向分辨率辐射强度计算方法。本文把本课题组提出的DRESOR(Distributions of Ratios of Energy Scattered Or Reflected)法推广应用到非均匀散射介质的瞬态辐射传递过程,利用该方法分析了瞬态脉冲信号在介质中的传播规律,反射热流信号的双峰分布现象能够很好地反映出非均匀散射介质的位置,文中对反射热流双峰分布现象的存在条件进行了较为详细的分析。在DRESOR法基础上文中提出了迭代DRESOR法,该方法将DRESOR法计算得到的高方向分辨率辐射强度结果作为初始值,代入到积分形式的辐射传递方程进行迭代。通过与精确解比较,DRESOR法的计算误差为4%左右,迭代DRESOR法在不增加很多计算时间的条件下能把计算误差减小到0.02%以下,具有相当好的计算精度。文中还提出了改进离散坐标法,该方法利用DOS+ISW(Discrete Ordinates Scheme with Infinitely Small Weights)方法,能够高效率地计算得到高方向分辨率的辐射强度,利用这些辐射强度结果可以计算其它辐射积分量,如辐射热流、投射辐射等。文中利用该方法分别对由于介质和壁面的非均匀发射引起的射线效应现象进行了研究,通过与文献中的基准解比较,表明该方法能够很好地消除传统离散坐标法中的射线效应现象。 在研究数值方法的同时,本文还研究了不同的介质和壁面条件对辐射传递过程的影响。壁面的温度和反射率对辐射系统的平衡状态和系统发射率产生明显影响,当壁面温度和介质温度相等或者壁面为全反射表面时,任何其他条件下系统均为黑体发射。文中还讨论了一维辐射系统中单壁面发射条件下不同的壁面反射特性(镜反射或漫反射)对辐射强度和辐射热流的影响。结果表明不同反射特性壁面对方向辐射强度的影响较为明显,尤其在靠近该壁面区域。发射壁面和非发射壁面反射特性变化对辐射热流的影响效果不同,发射壁面反射特性变化对辐射热流的影响基本可以忽略,非发射壁面反射特性变化对透射热流影响较小,对反射热流具有较为明显的影响,文中进一步讨论了不同介质光学厚度、散射率和散射相函数条件下非发射壁面反射特性变化对反射热流的影响,为实际应用过程中需要考虑壁面反射特性影响的情况提供参考。 热光伏发电是一种有效的余热利用方式,对于提高能源利用率意义重大。太阳能作为一种清洁的新能源也越来越受到社会的广泛关注。在热光伏发电和太阳能利用领域,合适的选择性光谱吸收表面能够有效地提高能源利用效率。本文中利用有限差分时域法研究了几种不同掺杂硅周期性结构表面的光谱吸收特性,分析了简单和复杂栅格结构下掺杂硅的辐射特性变化。同时,分析了表面微小结构变化对光谱辐射特性的影响,结果表明微结构表面中微小的结构改变可以使栅格结构体的吸收率峰值向波长大的方向移动,移动的幅度可以通过调整附着微小结构体的位置和大小来控制。这不但给微纳米材料加工过程产品质量控制提供参考,同时还可以利用这些特性来对材料的辐射特性进行调整以达到实际的要求。文中还利用该方法研究了二维硅粗糙表面的反射特性,通过与实验结果对比,显示了该方法具有较好的计算精度。文中最后通过几何光学能束跟踪方法计算了实际粗糙路面的反射特性,结果表明当入射光投射极角较大时,只会在镜反射方向较小范围内有反射能量,粗糙路面表现为镜面特性,可以较好地解释路面蜃景现象。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TK124

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