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二维变折射率介质辐射传热及表观发射特性研究

乔心全  
【摘要】:典型的变折射率材料包含梯度折射率材料及多层半透明材料,其在自然界和实际工程中有着广泛的应用,如光子晶体的加工成型、光线在海水和大气中的传输以及光学仪器的制造等。梯度折射率介质内由于光线弯曲传递及全反射的存在,导致辐射能量的分布与均匀折射率介质完全不同,因此必然存在一些独特的传热特性与现象。对于多层半透明介质,子层界面处因折射率阶跃存在复杂的反射和折射现象,亦会在介质内导致特殊的热光学效应。 本文采用蒙特卡洛法,针对二维双向多层和任意梯度吸收发射以及散射性灰介质,研究在子层交界面镜反射、壁面镜或漫射条件下的辐射热传递,求解得到介质内的温度和热流分布以及表观发射率。 主要研究内容包括: (1)基于二维均匀介质辐射传递模型,将MCM扩展用于求解二维双向多层介质内的热辐射传递,建立二维矩形介质内双向多层介质辐射—导热耦合换热模型,在与文献多层介质结果对比验证本文模型可靠性的基础上,研究并详细分析多层介质折射率排列及反照率等参数对耦合换热的影响。 (2)在二维多层模型基础上根据多层逼近思想,建立二维矩形介质内梯度折射率介质耦合换热模型。通过与文献中梯度折射率介质的辐射热传递精确解对比,验证本文模型的正确性和精度。考察研究二维矩形介质四侧壁面均半透明和均不透明两种情况下的耦合换热结果,以及折射率分布、光学厚度、不透明壁面黑度、反照率以及散射相函数等对梯度折射率介质内辐射换热的影响。 (3)采用多层逼近法和蒙特卡洛离散弯曲光线跟踪法,结合基于方向辐射传递因子的反向蒙特卡洛法,求解二维任意梯度折射率和二维双向多层介质的表观发射特性。与文献结果对比验证本文表观发射率计算模型的可靠性,并考察梯度折射率分布、发射位置、反照率、有无环境辐射影响以及介质温度场的不同给定方法等对介质表观发射特性的影响。


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